Анизотропные свойства древесины. В чем идеализация схемы анизотропии? древесина

Древесный заполнитель представляет собой анизотропный, ортотропный материал неоднородного строения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (поперечный, радиальный, тангенциальный срезы). Исследование технологических свойств древесного заполнителя, влияющих на качество арболита, затруднено не только из-за анизотропности различных частей дерева (комель, ствол, ветви, заболонь, ядро), но и вследствие неоднородности строения в пределах одного годичного слоя ранней и поздней древесины.

    Механические свойства древесины

    Элементы строительных конструкций, столярно-строительных изделий, каркасов мебели и др. ис­пытывают различные силовые воздействия, благодаря которым проявляются механические свой­ства древесины. Важнейшим механическим свойством древесины выступает прочность.
     Причины анизотропии бумаги
    Общие сведения
    Прочность и деформативность — это базовые свойства, которые не­обходимо знать для определения конструктивных параметров изде­лий из древесины в процессе их разработки. Помимо названных часть механических свойств принято выделять в особую группу—техноло­гические и эксплуатационные. Сегодня мы ограничимся рассмотре­нием прочности — способности тела противостоять разрушению под воздействием внешних сил.
    В древесине, как и в любом другом материале, под действием внеш­них нагрузок происходят изменения размеров и формы тела - де­формации. При этом в материале возникают силы сопротивления, ко­торые обычно характеризуют напряжениями (силами, отнесенны­ми к площади сечения детали). Сростом напряжений растет и риск разрушения тела. Максимальное напряжение, предшествующее разру­шению тела, называют пределом прочности.
    Большинство задач, с которыми приходится сталкиваться на прак­тике конструирования изделий из древесины, решается в рамках до­пущений теории упругости и обобщенного закона Гука, тем не менее структурные особенности древесины определяют явно выраженные различия свойств по разным направлениям, т.е. применительно к древесине должна использоваться теория упругости анизотропного тела.
    В том случае, когда размеры детали из древесины малы (настолько, что можно пренебречь кривизной годичных слоев), для расчетов при­нимают обычно схему ортогональной анизотропии, для которой ха­рактерны три плоскости симметрии: две продольные — радиальная и тангенциальная и одна перпендикулярная направлению волокон.
    Для крупных сортиментов древесины, когда нельзя пренебречь кри­визной годичных слоев, а зачастую наблюдается еще и неправильная ориентация сечений по отношению к годичным слоям (бруски, дос­ки), учитывается различие только между свойствами вдоль и поперек волокон (трансверсальная анизотропия).
    Между анизотропией упругих и прочностных свойств существует тесная связь. Однако различия в показателях прочности по разным направлениям выражены слабее, чем в показателях упругих свойств.
    При расчете прочности элементов деревянных конструкций учиты­вают величину действующих усилий (напряжений) и непременно их направленность относительно волокон и годичных слоев. Наиболее опасны растягивающие напряжения, направленные поперек волокон и приводящие к появлению в материале трещин, параллельных волок­нам. Хрупкое разрушение древесины также происходит в виде скалы­вания из-за касательных напряжений, действующих в радиальной и тангенциальной плоскостях
    В некоторых случаях нагружение элементов конструкции носит сложный характер. Из-за анизотропии древесины, повышающей уро­вень сложности задачи, разработаны методики расчета прочности только для случая плоского напряженного состояния. Здесь вместо обычных уравнений используются критерии прочности.
    Для прочностных расчетов используются такие характеристики ма­териала, как модуль упругости, модуль сдвига, пределы прочности на растяжение и сжатие, сдвиг. Эти характеристики определяются экспе­риментально на специально подготовленных образцах и по специаль­ной методике. Однако свойства древесины зависят не только от поро­ды, но и от места произрастания и многих других факторов. Поэтому значения параметров упругости и прочности носят несколько приближенный (усредненный) характер.
    Существуют определенные закономерности, определяющие зависимость этих параметров от структуры древесины, кото­рая в свою очередь определяется условиями произрастания и т.д. Эти закономерности используются для внесения поправок в расчеты. Влияние на прочность древесины оказывает и ее влажность. Поэтому испытания проводятся при нормализован­ной влажности (12%), но для некоторых пород древесины есть данные и для влажности более 30%. Характеристики механи­ческих свойств можно найти в таблицах Государственной Сис­темы Стандартных Справочных Данных (ГСССД) «Древесина. Показатели физико-механических свойств малых образцов без пороков».

    Анизотропия

    Анизотропия (от греч. ánisos - неравный и tróроs - направление), зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления (в противоположность изотропии - независимости свойств от направления). Примеры Анизотропия: пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки только вдоль определённой плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие); мясо легче режется вдоль волокон, хлопчатобумажная ткань легко разрывается вдоль нитки (в этих направлениях прочность ткани наименьшая).Ортотропный материал

      Естественная Анизотропия - наиболее характерная особенность кристаллов. Именно потому, что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны, кристаллы вырастают в виде правильных многогранников: шестиугольные призмы кварца, кубики каменной соли, восьмиугольные кристаллы алмаза, разнообразные, но всегда шестиугольные звёздочки снежинок. Анизотропны, однако, не все свойства кристаллов. Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. Анизотропия остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов.

    В чем идеализация схемы анизотропии?

    Плоскость аг рассматривается как плоскость симметрии при условии, если кривизна годичных слоев мала в пределах рассматриваемого объема.

    Анизотропность древесины

    Плоскость rt перпендикулярную волокнам можно рассматривать как плоскость симметрии лишь при условии постоянства свойств по высоте ствола и при отсутствии сбега ствола.

    Тангентальная плоскость at рассматривается как плоскость симметрии, если не считаться с различием свойств ранней и поздней древесины.

    Механические свойства древесины различны в разных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон (рис. 1.3,6).

    При совпадении направления усилия и волокон прочность древесины достигает максимального значения.

    Поэтому, при выведении формул для определения расчетных сопротивлений под углом к волокнам, древесина рассматривался как ортотропный материал.

    Анизотропия механических свойств

    Основными механическими характеристиками древесины и пласт­масс являются прочность, жесткость, твердость, трещиностойкссть (для полимербетонов) Их следует учитывать при воздействии на конст­рукции внешних нагрузок. В конструкциях древесина и пластмассы подвергаются следующим видам деформации: растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу.

    Древесина и большинство конструкционных пластиков — мате­риалы й ярко выраженной анизотропией, т е. обладают разными ме­ханическими свойствами в разных направлениях. Анизотропия обусловлена структурой, строением и составом материалов.

    Рассмотренные выше строение и состав древесины обусловливают анизотропию ее свойств уже в самых начальных структурных элемен­тах древесины — цепных молекулах целлюлозы, мицеллах, фибриллах, составляющих основу клеточной оболочки. С ростом структурных эле­ментов от микроструктуры к макроструктуре и вплоть до ствола дерева неравномерность механических свойств проявляется все больше Само строение древесины определяет три взаимно перпендикулярных направ­ления: вдоль волокон, поперек волокон радиально (по радиусу попереч­ного сечения ствола) и поперек волокон тангентально (по касательной к годичному слою), по которым свойства древесины существенно раз­личаются. На схеме рис. 16, а эти направления обозначены буквамиИдеализация схемы анизотропии
    Рис. 16. Направления анизотропии механических свойств в древесине и конструк­ционных пластмассах:

    А — в древесине; б — в стеклопластиках; в — в древеснослоистых пластиках с различным расположением волокон в шпонах

    А, г, В направлении а (вдоль волокон) древесина обладает наиболь­шими прочностными и упругими свойствами, а в направлении поперек волокон — наименьшими.

    Анизотропия армированных пластмасс обусловлена ориентацией стекловолокна или древесных шпонов в определенном направлении (рис. 16, б, в). К таким материалам относятся древеснослоистые пла­стики, фанера, стеклопластик СВАМ, стеклотекстолиты КАСТ и др. Термопласты (оргстекло, винипласт), пенопласты можно отнести к изотропным материалам. Полиэфирные стеклопластики с хаотично рас­положенным рубленым волокном по своим свойствам также ближе к изотропным материалам.

    Рассмотренные особенности строения армированных пластмасс и древесных пластиков, структурные факторы имеют взаимосвязь с их физико-механическими свойствами, которая может быть установлена эмпирическим путем (например, для древесных пластиков) или выведе­на теоретически для любого стеклопластика. Располагая такими зави­симостями, можно избежать элементов случайности при выборе армиро­ванных пластиков для применения в определенных видах конструк­ций. Более того, проектировщик имеет возможность проектировать сам материал и выдавать технологам задание на получение армированных пластиков с определенными механическими свойствами Целенаправ­ленное проектирование материала в соответствии с его напряженным состоянием в элементе (конструкции) повышает надежность конст­рукции и дает экономию материалов. В этом существенное отличие и преимущество композиционных конструкционных материалов перед древесиной.

    Деформации

    Основы реологии. В материалах, состоящих из компонентов с раз­личными упругими свойствами, происходит перераспределение внут­ренних напряжений между составными частями материала. В резуль­тате напряженное состояние и деформации элементов конструкций ' во времени изменяются.

    Явления, происходящие в твердых телах при длительном действии в них внутренних напряжений, изучает раздел механики, называемый реологией.

    Сложность структур древесины и пластмасс и особенности работы под нагрузкой их вязкого компонента вызывают нарастание дефор­маций при постоянной нагрузке, происходящее в течение долгого вре­мени. Такое явление называется ползучестью. Оно характерно для кон­струкций из древесины и пластмасс и должно учитываться при проекти­ровании (например, приданием строительного подъема балочным конст­рукциям покрытия).

    Следует различать мгновенные деформации и соответствующее им напряженное состояние и вязкие деформации (деформации последейст­вия) с соответствующим напряженным состоянием. Мгновенные дефор­мации происходят со скоростью приложения нагрузки. Вязкие дефор­мации развиваются после того, как нагрузка перестает возрастать. Скорость их развития зависит от уровня напряжений. Если последние не превышают известного предела, то вязкие деформации затухают (рис. 17, а). Мгновенные и вязкие деформации обратимы после снятия нагрузки, они — упругие. Если напряжения выше предельного, то вязкие деформации переходят в пластические, которые являются не­обратимыми и развиваются пропорционально времени со скоростью, зависящей от степени напряжения материала. Развитие пластических деформаций при достижении суммарной деформацией предельного

    Рис. 17. Развитие деформаций древесины под действием постоянной нагрузки при раз­личных напряжениях:

    А — упругие деформации; б — упруго-пластические деформации; в — релаксация напряже­ний; 1 — затухание деформаций последействия при а < Ицл - 2 — развитие пластических де­формаций при а > «дл ; 3 — исчезновение деформаций после разгрузки при а < /?длДревесина анизотропна
    Релаксация. Релаксацией называется процесс уменьше­ния напряжений при сохранении постоянного значения за­данной при загружении деформации. Релаксационные кри­вые (рис. 17, в) имеют вид, обратный кривым затухающей ползучести. Физическая суть релаксации заключается в преобразовании получен­ной при загружении упругой деформации в вязкую деформацию.

    Изучают релаксацию при лабораторных исследованиях материалов. Для наглядного представления процесса используются так называемые реологические модели тел, деформирование которых происходит по тому же закону, что и самого тела. Процессу затухающей ползучести наиболее полно соответствует реологическая модель Фойгта . Пружина Е1 обеспечивает приложение нагрузки с образованием на­чальной (мгновенной) деформации, параллельно соединенные пружи­на Е2 и ползун обеспечивают вязкие деформации. По модели Фойгта после окончания процесса ползучести полная деформация е = о0/Е1 + + а0/Е2. Если учесть, что модуль деформаций выражают через модули упругости: Едл = Ех ¦ Ег/{Е1 + Е2), то получим е = о0/Еал.

    Реологические модели отражают качественный характер деформи­рования тел, но не имеют в своей природе количественного содержания. Они не учитывают относительного содержания различных по своим свойствам составляющих композиционных материалов и перераспре­деления внутренних напряжений между составными частями мате­риала.

    Значительно лучшие результаты и действительные количественные соотношения получают по структурным диаграммам.

     Древесный заполнитель представляет собой анизотропный, ортотропный материал неоднородного строения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (поперечный, радиальный, тангенциальный срезы). Исследование технологических свойств древесного заполнителя, влияющих на качество арболита, затруднено не только из-за анизотропности различных частей дерева (комель, ствол, ветви, заболонь, ядро), но и вследствие неоднородности строения в пределах одного годичного слоя ранней и поздней древесины. Рыхлые клетки древесины образуются весной в период роста дерева, более плотные клетки поздней древесины— осенью. В единице объема поздней древесины содержится больше древесного вещества, чем в ранней, поэтому поздняя древесина подвержена большим влажностным деформациям, вызываемым изменением содержания гигроскопической (связанной) влаги. Высокая степень анизотропности механических свойств древесины (и другого органического целлюлозного сырья) является также следствием ее морфологического строения.

    В зависимости от породы древесины и направления нагрузки сопротивление сжатию поперек волокон в 6...I8 раз меньше чем вдоль волокон (для сосны средние значения, соответственно 5,8 МПа и 41,8 МПа).

    Ортотропные свойстваПредел прочности при разрыве поперек волокон в радиальной плоскости у всех пород выше, чем при разрыве в тангенциальной плоскости (для сосны — соответственно 84,1...11,5 МПа и 3,2...2,5 МПа). Очевидно, что в последнем случае разрыв происходит преимущественно по слабой ранней зоне годичных слоев, тогда как при разрыве по радиальной плоскости он идет по ранней и плотной поздней зонам. С учетом этих свойств древесины, с нашей точки зрения, целесообразно использовать получаемую из нее дробленку с возможно меньшими размерами в радиальном направлении, а если принять во внимание набухание и усушку в тангенциальном направлении, то с сечением минимальным в двух поперечных направлениях. При работе на скалывание для древесины характерна хрупкость: сопротивление скалыванию сосны в радиальном направлении равно 6...8 МПа, в тангенциальном направлении — 5,9...7,7 МПа.Анизотропные свойства древесины
    Установлено, что прочность на разрыв поздней1 и ранней древесины сильно различается; поздняя древесина ели почти в три раза прочнее на разрыв, чем ранняя. По данным В. Е. Вихрова, физико-механические свойства ранней и поздней древесины лиственницы также неодинаковы. Поздняя древесина более чем в два раза тяжелее ранней (плотность ранней древесины — 383кг/м3, поздней — 863кг/м3); для поздней древесины характерна почти вдвое большая усушка. Прочность поздней древесины по сопротивлению на статический изгиб в три—пять раз выше, чем ранней (250 МПа и 48,3 МПа), сопротивление растяжению более чем в два раза выше (151,0 МПа и 44,2 МПа). Поверхностная пористость (в %), наоборот, у ранней древесины более чем в три раза выше чем у поздней (66 и 21%), объемная пористость первой почти в два раза больше чем у второй (75,3 и 46,7%).

     Разница между величиной усушки ранней и поздней древесины у лиственницы значительно больше, чем у сосны и ели, причем абсолютные значения усушки поздней древесины у лиственницы гораздо выше, чем у сосны и ели.

    Видимо, одной из причин малой пригодности заполнителя из лиственницы является наибольшая, по сравнению с другими хвойными породамианизотропные свойства древесины , способствующая развитию различных по величине влажност-ных деформаций в контактных зонах, что нарушает целостность структуры арболита. Между тем до настоящего времени получение арболита низкой прочности на дробленке из лиственницы объясняли исключительно большим содержанием в ней легкогид-ролизуемых веществ, замедляющих твердение цемента.

    Похожие товары

    Один из способов переработки древесных опилок изготовление топливных древесных брикетов, применение которых в качестве топлива улучшает процесс сгорания.
    Технологическая особенность фрезы, используемой на станке WoodVER, позволяет обеспечить "мягкий вход" в поверхность обрабатываемой древесины.
    Для поделок из дерева лучше применять древесину с ярко выраженной однородной структурой.
    Древесина дуба признана прочной, твердой и тяжелой, а также имеющей сильный блеск и красивую текстуру. Свойства древесины дуба зависят от условий произрастания дерева.
    Прочность – способность древесины сопротивляться разрушения под действием механических усилий; характеристикой ее является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает древесина
    Распространен в народе миф, будто дом из дерева - летний, дачный дом, который не приспособлен для круглогодичного прожив