§ 1.7. Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах (влажностью 12 %) высок — для сосны и ели он в среднем 100 МПа. Модуль упругости 11 —14 ГПа. Наличие сучков и присучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с вы­ходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков 1/4 стороны элемента предел прочности составля­ет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор дре­весины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций.

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получа­ется при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное влияние концентрации напряжений у мест ослаблений. Опыты показывают также, что прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность крупных образцов в результате большей неоднородности их строения меньше, чем мелких.

При разрыве поперек волокон вследствие анизотроп­ности строения древесины предел прочности в 12—17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направ­лением волокон. Чем значительнее косослой, тем боль­ше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой — второй по значимости порок, величина которого в растянутых эле­ментах должна строго ограничиваться.

Диаграмма работы сосны на растяжение (рис. 1.11), в которой по оси абсцисс откладывается относительная деформация ε, а по оси ординат относительное напря­жение φ, выраженное в долях от предела прочности (так называемая приведенная диаграмма), при φ ≤0,5 имеет незначительную кривизну и в расчетах может приниматься прямолинейной. Значение φ =0,5 рассмат­ривается при этом как предел пропорциональности.

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2—2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12 % предел прочности на сжатие в среднем 40 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков, составляющих 1/3 сто­роны сжатого элемента, прочность при сжатии будет 0,6—0,7 прочности элемента тех же размеров, но без суч­ков. Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на продольный изгиб, т. е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря указанным осо­бенностям работа сжатых элементов в конструкциях бо­лее надежна, чем растянутых. Этим объясняется широ­кое применение металлодеревянных конструкций, имею­щих основные растянутые элементы из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые из дерева.

Приведенная диаграмма сжатия (см. рис. 1.11) при >0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях ф криволинейность ее невелика и она может быть принята прямолинейной до условного преде­ла пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопро­вождается появлением характерной складки (рис. 1.12), образуемой местным изломом волокон.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели при влажности 12 % предел прочности при изгибе в среднем 75 МПа. Модуль упругости примерно такой же, как при сжатии и растяжении. Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и ко­сослоя значительно. При размере сучков в 1/3 стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5—0,45 прочности бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6—0,8.

Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсутствует наблюдаемый в пиломатериалах выход на кромку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при изгибе по обычной формуле σ=M/W соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и действительно в пределах небольших напряжений (рис. 1.13).

При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаг­раммой работы на сжатие (рис. 1.11, кривая б) прини­мает криволинейный характер (рис. 1.13, 6, в). Одновременно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряже­ние сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

Определение предела прочности по формуле σ=M/W удобно для сравнительной оценки прочности различной древесины. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же момен­те сопротивления у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. Все эти факторы учитываются в расчете введением соответствующих коэффициентов к расчетным сопротивлениям.