Испытания на древесине

Дерево – вездесущий материал, который использовался в строительстве с древнейших времен. Возобновляемая и устойчивая, древесина является конструкционным материалом, широко используемым в машиностроении для строительства односемейных жилых домов, а также для каркасных перегородок и других неструктурных элементов в коммерческих и промышленных зданиях.

Благодаря своему природному происхождению, древесина обладает механическими свойствами, привязанными к отдельным породам дерева. Влажность и другие переменные, например, наличие дефектов. Для конкретного применения проектировщик должен тщательно продумать предполагаемые нагрузки на деревянный элемент или конструкцию, чтобы обеспечить максимальную эффективность материала.

В этом видео показано, как проверить механические свойства различных пород древесины и определить их напряженно-деформированное поведение и флектурные характеристики.

Древесина состоит из удлиненных, круглых или прямоугольных трубчатых ячеек, длина которых намного превышает их ширину. Внутри стены есть несколько слоев, сделанных из микрофибрилл, которые представляют собой пучки полимеров целлюлозы.

Цепи микрофибрилл выровнены в четких направлениях внутри слоев стен. Средняя стенка с цепями, выровненными по длинному размеру ячейки, обеспечивает большую часть прочности ячейки, в то время как диагональные цепи внутренней и внешней стенок обеспечивают стабильность. Лигнин связывает вместе полимеры целлюлозы, а также микрофибрилльные цепи и клетки стенок. Эффект связывания многих ячеек вместе приводит к получению очень прочного конструкционного материала.

Древесина является биологическим материалом и, таким образом, очень восприимчива к гниению окружающей среды и атакам вредителей. Большая часть древесины, используемой сегодня, предварительно обработана химикатами для защиты от окружающей среды и нападения насекомых.

Древесина – неоднородный материал, характеризующийся большим количеством дефектов или дефектов, таких как, например, сучки и сколы. Как следствие, большие коэффициенты запаса прочности или отношения расчетной прочности к фактической предельной прочности используются для объяснения больших различий в инженерных свойствах различных деревянных деталей.

Благодаря своему ячеистому составу древесина является ортотропным материалом, имеющим различные свойства по продольной и, соответственно, поперечной осям по отношению к направлению волокон. Как следствие, материал будет по-разному вести себя при нагрузках, параллельных или перпендикулярных древесному волокну. Ортотропные свойства древесины могут быть улучшены различными методами.

Ламинаты, такие как фанера, состоят из слоев с волокнами, выровненными в перпендикулярных направлениях, в результате чего получается изотропный материал. В качестве альтернативы клееный брус изготавливается из тонких полосок волокон, выровненных в одном направлении и склеиваемых под давлением, получая свою прочность от распределения дефектов.

Клеточный состав древесины также объясняет свободную воду внутри клеточных полостей и воду, связанную с клеточными стенками. Следовательно, содержание влаги является ключевым параметром в определении прочности древесины, и, в целом, снижение влажности приведет к увеличению прочности. Объемные изменения, связанные с сушкой, могут привести к неравномерной усадке и деформации, таким как скручивание, дуга, чашка или изгиб.

Поскольку древесина является полимерным материалом, она также подвержена ползучести или, при постоянной нагрузке, к непрерывной вязкой деформации. Когда груз отпускается, большая часть деформации восстанавливается. В результате, древесина, как правило, может выдерживать гораздо более высокие нагрузки, если продолжительность нагрузки короткая. Поскольку все эти факторы были бы слишком сложными для использования в повседневном проектировании, для конструкционных целей мы используем следующее: статистический анализ конечных значений прочности без дефектов для многих пород, поправки на содержание влаги и коэффициенты прочности на основе марки древесины для поправки на эффекты снижения прочности.

Свойства, обычно приводимые для большинства пород дерева, опубликованы в табличной форме для удобства использования. Этими свойствами являются: допустимое напряжение изгиба, растяжение параллельно зерну, горизонтальный сдвиг, сжатие перпендикулярно зерну, сжатие параллельно зерну и модуль упругости. В дополнение к основным ориентационным свойствам породы древесины должно быть очевидно, что не вся древесина ведет себя одинаково под нагрузкой.

Теперь, когда вы понимаете физические свойства древесины и принципы тестирования древесины, давайте используем их для проведения нескольких тестов.

Прежде чем начать, выберите три сорта древесины для сравнения. Для каждого сорта подготовьте два экземпляра куба сжатия с номинальными размерами кромки 3,5 дюйма. Убедитесь, что кубики не имеют дефектов, а их противоположные поверхности параллельны. Отметьте по одному экземпляру от каждой разновидности для испытания с грузом, приложенным параллельно зерну, а остальные экземпляры — для испытания с грузом, приложенным перпендикулярно зерну.

Измерьте высоту направления нагружения каждого испытуемого образца с помощью штангенциркуля. И повторите измерение в нескольких местах, чтобы определить приблизительное среднее значение. Когда все будет готово, используйте ту же процедуру для определения размеров поперечного сечения каждого образца.

Настройте универсальную испытательную машину, как показано в видеоролике JoVE о константах материала. Затем аккуратно центрируйте образец в правильной ориентации на компрессионной плите. Опустите траверсу до тех пор, пока не будет приложена небольшая нагрузка, а затем с помощью тонких элементов управления сбросьте нагрузку как можно ближе к нулю.

Теперь приложите сжимающую нагрузку со скоростью 40 фунтов на квадратный дюйм в секунду. Испытание на сжатие может продолжаться в течение нескольких минут по мере увеличения нагрузки и со значительным видимым напряжением в образце. Продолжайте испытание до тех пор, пока не будет достигнута очевидная максимальная нагрузка.

Запишите максимальную нагрузку по окончании испытания, а затем повторите процедуру для остальных образцов.

Проведите еще одно испытание на сжатие, и на этот раз приложите нагрузку перпендикулярно волокнам образца. Повторите процедуру для других сортов древесины.

Теперь приготовьте несколько образцов из собачьей кости, используя те же три сорта древесины. Подготовьте один набор образцов с волокнами, параллельными длинному размеру, и второй набор с волокнами, перпендикулярными длинному размеру.

Проведите испытания на растяжение всех шести образцов, как показано в видеоролике JoVE о характеристиках стали на напряжение-деформацию.

Приобретите два на четыре около 24 дюймов в длину каждого сорта древесины. Установите четырехточечное испытательное устройство на изгиб на универсальную испытательную машину. Как только аппарат будет готов, запустите испытательную машину. Отрегулируйте настройки испытания, чтобы записать нагрузки и значения траверсы, а также зафиксировать максимальную нагрузку. Установите образец в аппарат и опустите верхнюю траверсу до тех пор, пока аппарат только не начнет соприкасаться с деревянной балкой.

Прикладывайте нагрузку со скоростью 2 000 фунтов в минуту до тех пор, пока балка не сломается. Запишите нагрузку на отказ после завершения испытания, а затем повторите испытание для остальных образцов.

Используйте таблицу для обобщения результатов испытаний на сжатие, растяжение и изгиб. Далее в каждом столбце нормализуем данные до максимального значения, и делаем новую таблицу.

Теперь взгляните на свои результаты. Как показывают все результаты, дуб является самой прочной древесиной, за ним следуют ель и южная сосна. По двум наиболее важным свойствам, прочности на изгиб и сжатию параллельно волокнам, ель кажется примерно на 87%, а южная сосна примерно на 78%, так же прочна, как дуб. Учитывая очень большую разницу в цене между породами дерева, южная сосна, как самая дешевая из них, является очень эффективным выбором.

Испытание древесины имеет первостепенное значение в проектировании конструкций для оценки способности окончательных конструкций выдерживать нагрузки и деформации во время повседневного использования, чтобы обеспечить безопасность продукции и соответствие международным стандартам.

При испытании на четырехточечный изгиб простая балка нагружается двумя равноточечными нагрузками в третьей точке, в результате чего центральная часть имеет постоянный момент и нулевой сдвиг. Это испытание имеет решающее значение для систем полов, в которых структурные элементы древесины в основном нагружены изгибающими напряжениями.

До недавнего времени деревянные конструкции были ограничены тремя или четырьмя этажами в многоквартирном или небольшом офисном здании. Развитие кросс-ламинированной древесины привело к разработке структурных систем, способных достигать восьми и более этажей. В то время как гораздо более высокие здания, порядка 20 этажей, все еще находятся в стадии разработки.

Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в тестирование древесины». Теперь вы должны понимать инженерные свойства древесины и то, как проводить испытания образцов древесины на растяжение, сжатие и изгиб.

Спасибо за просмотр!