Статья Левинского Ю.Б., проф., к.т.н. и Савельева В.В., старшего

Статья Левинского Ю.Б., проф., к.т.н. и Савельева В.В., старшего препод.
«Предварительное гнутье древесины как фактор повышения
надежности криволинейных несущих конструкций»
7 страниц,, 3 табл.
АННОТАЦИЯ
Исследованы некоторые возможности получения изогнутых деталей из древесины
разных пород. Определены технические параметры гнутья в зависимости от способа
пластификации древесины, размеров и структуры заготовок. Дано экспериментально теоретическое обоснование бездефектного деформирования древесины при ее гнутье и
процесса изготовления криволинейных клееных балок из предварительно изогнутых
ламелей (слоев). Эффект обеспечивается за счет уменьшения внутренних напряжений в
клееных конструкциях и повышения стабильности заданного профиля.
Levinskij J.B., Savelev V.V
«Preliminary cabriole wood as the factor of increase of reliability
of curvilinear bearing designs»
7 pages, 3 tab.
THE SUMMARY
Are investigated some possibilities of reception of the bent details from wood of different
breeds. Technical parametres cabriole depending on a way of plasticization of wood, the sizes
and structure of preparations are defined. It is given experimentally - a theoretical
substantiation of faultless deformation of wood at it bending and process of manufacturing
curvilinear laminated beams from preliminary bent layers. The effect is provided at the
expense of reduction of internal pressure in laminated designs and increases of stability of the
set profile.
Ключевые слова: предварительное гнутье древесины,
криволинейные клееные конструкции,
пластификация древесины
preliminary cabriole wood, curvilinear laminated beams, wood plasticization
Ю.Б.Левинский
Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ)
В.В.Савельев
Тюменская государственная сельскохозяйственная академия (ТГСХА)
Предварительное гнутьё древесины как фактор повышения
надёжности криволинейных несущих конструкций
Сборные и гнутоклеёные деревянные рамы используются в
современной строительной индустрии при сооружении спортивных,
производственных и административно- хозяйственных зданий. Они
достаточно просты в изготовлении, удобны при монтаже и надёжны в
эксплуатации. Наибольшее распространение получили сборно-разборные
рамы и гнуто-клеёные конструкции стрельчатого типа.
1
Производственный и коммерческий интерес к деревянным балкам и
рамам существенно вырос в связи с развитием малоэтажного
домостроения. Предпочтение отдаётся конструкциям, обладающим
лёгкостью, изяществом форм, долговечностью и универсальностью.
Проектирование деревянных несущих конструкций и расчётноаналитическая оценка их надёжности всегда связаны со значительными
трудностями , которые обусловлены неоднородностью свойств древесины,
влиянием пороков и дефектов на прочность, анизотропией материала.
Поэтому увеличение размера расчётного сечения напряжённых элементов
является самым простым и действенным методом уменьшения риска
разрушения конструкции. Однако, он не является безусловно
рациональным и эффективным. Во-первых, увеличивается потребление
всех видов производственно - технологических ресурсов на изготовление
продукции. Во-вторых, балки и рамы часто оказываются чрезмерно
массивными и громоздкими. прямые и изогнутые балки можно усилить за
счет использования армирующих элементов из прочных материалов 1,2
или применения древесины разных пород 3. Например, если в составе
слоистых балок имеется до 50% заготовок из древесины лиственницы в
растянутом и сжатом поясах, то предельное сопротивление конструкции
изгибу повышается на 20 – 30 % 3. В гнутоклеёных конструкциях
жёсткая древесина не даёт такого эффекта. Нередко возникают
избыточные внутренние напряжения, ориентированные на восстановление
прямолинейной формы и приводящие к скалыванию по клеевому слою.
Для получения надёжных гнутоклеёных конструкций необходимо
изыскивать сравнительно гибкие, пластичные и прочные на разрыв
материалы. В определенной мере эта задача может быть решена за счет
использования относительно пластичной и мягкой древесины. Поскольку,
собственная прочность такой древесины, например, осины, невысока, то
механического усиления несущих элементов ожидать не следует.
Существуют также проблемы с получением высокопрочных клеевых
соединений, поскольку проникновение клея в низкоплотную древесину
оказывается глубоким, а клеевая прослойка - тонкой и зачастую не
сплошной. Чтобы исключить или уменьшить отрицательное влияние этих
факторов и явлений на показатели эксплуатационной надёжности,
необходимо выполнить следующие условия:
 обеспечить гибкость и способность к формованию
склеиваемых деталей;
 сохранить заданную изогнутую форму клеёной конструкции в
течение длительного времени при номинальных условиях
эксплуатации изделия;
 добиться
согласованности
физико-механических
характеристик клея и древесины для относительно широкого
диапазона внешних нагрузок и воздействий;
2
 гарантировать
эффективное
по
конструкционным
возможностям взаимодействие клея с древесиной.
Если исходить из условий надёжности слоистых балок по гарантиям
качества клеевых соединений, то следует оптимизировать систему «клейдревесина». Это означает, что напряженное состояние в клеевом
соединении должно быть минимальным, а точнее сбалансированным в
широких границах внешних воздействий (нагрузки, влажность,
температура, и др.). Авторами многочисленных исследований 4
определены наиболее характерные взаимосвязи между этими факторами и
динамикой напряженного состояния конструкций.
Усадочные напряжения
ещё больше
влияют
прочность и
формоустойчивость изогнутых или профилированных
клеёных
конструкций. Для сохранения целостности клеевых соединений в течение
длительного эксплуатационного периода необходимо обеспечить
достаточную адгезионно- когезионную прочность системы. При этом
внутренние нормальные напряжения не должны превышать величины в 0,5
МПа. Максимальное растягивающее напряжение поперёк волокон по
наиболее неблагоприятным схемам комплектации многослойных блоков
сопоставимо с прочностью древесины (3,6 МПА). Существенно влияют на
показатели
эксплуатационной
надёжности
циклические
и
знакопеременные воздействия (усушка, разбухание, ударные нагрузки и
пр.). Они доводят предел усталости до 1 МПа 4.
В гнутоклеёных конструкциях динамика напряжений в зависимости
от условий эксплуатации и подбора пакетов по структуре будет ещё более
сложной и труднопредсказуемой. В связи с этим армирование балок или
рам в сочетании с предварительным гнутьём заготовок может
способствовать стабилизации формы всей конструкции и уменьшению
опасных внутренних напряжений. Гнутьё заготовок (ламелей) является
процедурой интенсивного создания необратимой (остаточной) деформации
без разрушения целостности материала. Нарастание деформации и
уменьшение прочности древесины при длительном воздействии
постоянной нагрузки отмечено многими учёными. Это явление
учитывается во всех несущих деревянных конструкциях ещё на этапе
проектирования. В частности рекомендуются принимать в расчётах на
прочность при изгибе величину предельного сопротивления на 50% ниже
предела прочности материала в исходном его состоянии. Следовательно,
уменьшение прочности заготовок в процессе гнутья не повлечет за собой
снижения прочности клееной балки. Прочность древесины по завершении
процесса управляемого деформирования сократится лишь на 12 – 17%.
Начало разрушения древесины в нагруженной конструкции связано с
достижением предельной величины деформации. Но процесс гнутья
заготовок завершается на оптимальной ступени деформирования, а
полученный прогиб искусственно стабилизируется тем или иным
3
способом. В итоге оказывается, что при склеивании изогнутых деталей
между собой и последующей эксплуатации клеёной конструкции в ней
происходит перераспределение внутренних напряжений. Избыточные
напряжения
в древесине, таким образом, купируются за счёт
принудительного гнутья заготовок и фиксации радиуса искривления в
относительно благоприятных условиях деформирования материала.
На основании экспериментов, проведенных авторами, выявлены
некоторые
возможности
получения
изогнутых
заготовок
для
криволинейных элементов клеёных деревянных рам ( табл.1).
Таблица 1
Предельные радиусы гнутья заготовок (радиальная распиловка)
Значения радиуса искривления, мм ,
при обработке образцов способами
Порода
Толщина
древесины заготовок
контрольные
СВЧ
кипячение вымачивание
(влажность 15%)
10
3,55
2,79
2,90
4,90
сосна
15
4,33
3,26
3,55
6,51
20
4,60
4,34
5,21
9,77
10
1,95
1,50
2,44
3,25
осина
15
2,37
2,06
3,55
4,34
20
2,90
3,00
4,60
5,58
10
3,55
3,40
4,11
4,60
берёза
20
4,34
3,72
8,68
3,03
Примечания: Нагрузка при изгибе заготовок с целью получения изогнутой
формы – на уровне 2/3 Pmax ( Pmax - предельная разрушающая
нагрузка для каждой породы древесины и сечения заготовки)
Расчёт величины радиуса кривизны проведён по формуле
l2
r  0,125
f
,
(1)
где l - расстояние между опорами, м;
f - величина фиксированного прогиба заготовки по завершении
гнутья древесины, м.
С учетом выявленных параметров предельного гнутья древесины
определяются размеры и задаются оптимальные формы (кривизна) как
отдельных ламелей, так и всей конструкции в целом. Значения
поправочных коэффициентов
принимаются по новому состоянию
древесины, которое она приобретает после фиксации заданного профиля
заготовок до их склеивания в конструкцию. Если касательные напряжения
сдвига искусственно уменьшаются за счет предварительного гнутья
древесины, то прочность склеивания будет обеспечена практически на
том же уровне, что и для прямолинейных слоистых балок.
Расчетное напряжение изгиба определяется по формуле:
М
 W
u
НТ
4
,
(2)
где М – расчетный изгибающий момент;
W НТ - момент сопротивления сечения (нетто).
Эти напряжения возникают при гнутье заготовок и зависят как от
приложенных усилий, так и от параметров материала. Затем они по мере
релаксации материала уменьшаются. Древесина является упруго-вязким
материалом, и ей свойственно наличие трех видов деформаций - упругой,
упруго-вязкой, пластической. Следовательно, полного возврата к
исходному состоянию не происходит, а восстанавливающие усилия
оказываются меньше тех, которые проявились в финале процесса гнутья.
Определяя разность этих внутренних усилий или величину работы
деформации, можно расчетным методом установить степень силового
воздействия на клеевое соединение в готовой конструкции сразу после
завершения процесса склеивания в криволинейном контуре пресс-формы.
Однако, достоверность оценки напряженно-деформированного состояния
древесины по результатам расчетов обеспечиваются лишь в пределах
соответствия процесса закону Гука. Исключая влияние многочисленных
факторов на расспресовку изогнутой конструкции (изменение влажности
древесины, направление волокон по слоям блока, пороки, дефекты и т.д.)
можно сделать вывод, что для «идеальных» условий упругая деформация
составит не более 1/3 от общей. По исследованиям [5] на древесине,
обработанной аммиаком и находящейся под нагрузкой в течение 600 с
упругая деформация составила 16%, упруго- запаздывающая – 7%,
остаточная – 77%. Таким образом, различные виды специальной
подготовки древесины к гнутью и ее модификация пластифицирующими
веществами могут способствовать повышению качества и стабильности
изогнутых форм.
Для древесины разных пород установлены физико-механические
показатели, которые используются в расчетах элементов строительных
конструкций. Все необходимые корректировки осуществляются через
нормативные коэффициенты по различным факторам (условия
эксплуатации, влажность древесины, размеры конструкции и т.д.).
При изгибе стержня (балка на двух опорах) возникают нормальные и
касательные напряжения, которые оказывают непосредственное влияние
на прочность материала. В процессе гнутья древесины происходит
деформирование структуры, и проявляются внутренние усилия, величина
которых зависит от породы, плотности, влажности, направления волокон и
других факторов. После снятия внешней нагрузки заготовка стремится
принять прежнюю (исходную) форму. Так как при длительном
воздействии нагрузки на древесину, ее прочность снижается [6], то при
расчетах несущих конструкций принимаются коэффициенты длительного
сопротивления по наиболее характерным видам нагрузок и воздействий.
Таблица 2
5
Изменение предела прочности древесины при действии длительной
нагрузки (порода древесины – ель)
Значение предела прочности /модуля упругости (*103), МПа
Величина нагрузки
по видам испытаний
(% от предельной) сжатие вдоль
растяжение
статический
скалывание
волокон
вдоль
изгиб
вдоль
волокон
волокон
90
43,5/17,6
115,5/14,9
67,4/12,6
6,5
60
39,7/16,1
108,2/12,3
64,9/11,9
--3
Примечание Средняя плотность древесины – 0,47 – 0,50 кг/ дм
При исследовании качества склеивания криволинейных (изогнутых)
деревянных
конструкций
выявлено
следующее
противоречие.
Использование прочной древесины (дуб, берёза, лиственница)
способствует
повышению
предела
сопротивления
деревянных
многослойных балок изгибу, сжатию, растяжению, но не гарантирует
стабильности и надёжности клеевых соединений между ламелями в
условиях сильной внутренней напряженности конструкций. С другой
стороны, низкоплотная и относительно гибкая древесина, обладая
меньшей
механической
прочностью,
лучше
воспринимает
деформационные изменения, сохраняя целостность клеевых соединений.
Поэтому при производстве и применении криволинейных несущих
конструкций следует учитывать эффект пластичности как положительный
фактор, тем более, что объективно утраченную долю прочности можно
компенсировать введением в состав слоистых блоков из древесины
дисперсной или локальной арматуры из высокопрочных материалов. Для
подбора комбинаций склеиваемых пакетов можно руководствоваться
известными соотношениями физико-механических показателей древесины
(табл.2) и результатами исследований по гнутью заготовок (табл.1).
Примерные исходные данные для расчёта элементов криволинейных
конструкций даны в табл.3, но для каждого конкретного случая следует
проводить уточнение показателей древесины на основании результатов
лабораторных испытаний.
Согласно данным табл. 3 физико-механические показатели
древесины даже в пределах одной породы изменяются очень существенно.
Это предопределяет необходимость проведения индивидуального
исследования свойств и состояния древесины, используемой в несущих
клеёных конструкциях, в каждом конкретном случае производства КДК.
Таблица 3
Основные физико-механические показатели для конструкционных
расчетов ( для гнутья древесины)
П
ре
де
ль
н
ы
й
ра
сч
ет
н
ы
й
ра
ди
ус
Среднее значение показателей
6
Модуль упругости при
изгибе Е*103, МПа
Твердость древесины
(радиальная/
тангенциальная), МПа
*
**
**
0,505
0,534
0,532
109,0
-
46,1
56,9
45,6
86,9
113,3
77,5
11,3
10,8
8,0
22,5/23,2
16,9/19,0
7,0/8,5
4,32
Лиственница
**
**
0,665
0,635
124,0
-
62,3
47,1
112,4
95,1
12,5
31,5/33,4
39,9/39,7
5,90
0,375
0,422
66,0
55,4
40,1
45,5
68,6
88,9
9,5
15,1/14,2
21,4/22,5
0,445
0,418
0,640
0,638
0,621
101,0
73,0
137,0
-
45,4
36,0
54,6
48,7
79,1
79,2
65,0
111,4
95,1
88,7
14,5
7,9
18,4
-
17,5/17,8
14,6/15,1
35,9/32,1
37,9/38,1
0,690
0,723
0,740
0,711
175,0
-
57,0
62,8
72,0
51,2
107,6
121,9
129,3
97,9
14,5
13,7
10,2
13,7
54,5/47,5
59,6/61,0
59/52
55/54,8
Порода
древесины
Пихта
Ель
Лиственные
Берёза
Дуб
Осина
Примечания:
*
**
*
**
*
**
**
**
**
**
**
изгибе,
σизг
сжатии,
σсж
Хвойные
сосна
Плотность ρ, кг/дм3
растяжении,
σр
Пределы прочности, σ,
МПа, при
6,12
5,50
4,42
*
0,495
121,0
43,0
77,7
18,7/19,6
** 0,450
39,0
56,0
5,7
22/25
2,02
** 0,492
35,0
67,3
6,6
18,3/19,7
* - по Уголеву Б.Н.; ** - по Ванину С.И., Перелыгину Л.М. и др.
Предельный радиус гнутья заготовок прямоугольного сечения, имеющих
толщину 10 мм, рассчитывается по формуле
rрас 
2Е * h
,
 сж ( сж /  р  1) 2
(3)
Полученные значения отличаются от установленных экспериментальными
методами весьма значительно (от 10 до 35%). В этой связи необходимо
проводить испытания заготовок, предварительно пластифицированных в
различных средах, и определять максимальные толщины ламелей.
Выводы
1. Предварительное гнутьё заготовок для клеёных несущих конструкций
криволинейной формы обеспечивает уменьшение внутренних
напряжений в клеевых соединениях за счёт стабилизации профиля в
7
каждом элементе слоистого блока, но ограничивается жёсткостью и
толщиной ламелей.
2. Получение высокопрочных и надёжных в эксплуатации конструкций
со значительным радиусом кривизны возможно при использовании в
особо напряженных поясах гибкой древесины и межслойном
армировании склеиваемого блока волоконными или тканевыми
материалами, имеющими высокий предел прочности при разрыве.
3. Для теоретически обоснованных расчётов и определения параметров
бездефектного и стабильного гнутья древесины необходимо
учитывать возраст и место произрастания деревьев, структуру
древесины и распиловки сортиментов, а также способы и средства
модификации материала.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Библиографический список
Левинский Ю.Б.. Особенности конструирования и расчёта несущих элементов
облегчённых гнутоклеёных рам [Текст]/ Ю.Б. Левинский, В.В, Савельев//
Строительный вестник Тюменской области. Вып 1 (43). 2008. С. 44-49.
Накашидзе Б.В. Применение стеклопластиковой арматуры в клеёных
деревянных балках [Текст]/ Б.В. Накашидзе// Использование древесины в
жилищном строительстве Сибири: сб.науч. трудов СибНИИЭП. Вып.4.
Новосибирск. 1973. С.55-60.
Варфоломеев Ю.А. Повышение эксплуатационной надёжности клеёных
конструкций/ Ю.А. Варфоломеев// Обзор. информ. «Механ. обраб. древесины»
ВНИИПИЭИлеспром. Вып. 4. М. 1989. 62с.
Фрейдин А.С. Прогнозирование свойств клеевых соединений [Текст]/А.С.
Фрейдин, В.Т.Вуба// М.: Лесная промышленность, 1980. 222с.
Ханов А.М. Прогнозирование свойств термомеханически модифицированной
древесины [Текст]/А.М.Ханов, Л.Д.Сиротенко, Ю.Д. Храмцов, А.Н. Аношкин,
П.Е.Андреев// УрО РАН: институт техн. химии. Екатеринбург, 1997. 140 с.
Леонтьев Н.Л. Упругие деформации древесины [Текст]/ Н.Л. Леонтьев//
ЦНИИМОД. М.-Л.: Гослесбумиздат. 1952. 119с.
Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст]:
учебник для вузов// Б.Н. Уголев // МГУЛ. М. 2001.340с.
8