автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Исследование величины раскрытия трещин древесины при статистических нагрузках для повышения безопасности сооружений

Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности (Московское отделение)

На правах рукописи

Тутурин Сергей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ РАСКРЫТИЯ ТРЕЩИН ДРЕВЕСИНЫ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ СООРУЖЕНИЙ

Специальность: 05.26.04 - Промышленная безопасность

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук Гаппоев М.М.,

кандидат технических наук Радченко В.Ф.

Москва - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение........................................................................ 3

Глава 1. Состояние изученности прочности древесины......... 7

1.1. Общие положения............................................... ?

1.2. Исследования древесины методами линейной и нелинейной механики разрушения...........................

1.3. Исследования влияния внешних факторов на распространение трещины в древесине..................... 14

Глава 2. Методика определения трещиностойкости древесины. 16

2.1. Общие предпосылки.......................................................................16

2.2. Материалы, образцы и испытательное оборудование.... 16

2.3. Анализ распределения напряжений в образце,

испытываемом на сосредоточенный изгиб....................................^

Глава 3. Результаты испытаний.................. ................................................28

3.1. Обработка полученных результатов......................................................28

3.2. Анализ экспериментальных данных......................................................54

Глава 4. Теоретические исследования.....................................................67

4.1. Общие предпослыки................................................................67

4.2. Результаты исследований..................................................................................69

4.2.1. Критерий разрушения древесины при плоской деформации.........................................................69

4.2.2. Оценка полученных результатов..................................................77

Заключение................................................................................................................................................87

Список используемой литературы....................................................................................88

Приложения..............................................................................................................................................90

Список обозначений, встречающихся в работе 122

Введение

Актуальность темы. Многие миллионы гектаров лесов густым зеленым ковром покрывают нашу планету. Древесина, при рациональном ее использовании, является неограниченным возобновляемым сырьевым источником. Она обладает множеством незаменимых качеств, например, благоприятным воздействием на организм человека, в отличие от других строительных материалов. Неудивительно, что в последние годы интерес к дереву, как к конструкционному материалу вновь начал расти. Проводится множество исследований, направленных в первую очередь на усовершенствование существующих подходов к расчету деревянных конструкций, с целью обеспечить их надежность, рациональнее использовать материалы, находить новые области применения древесины.

Древесина представляет собой сложный органический материал, обладающий ярко выраженной анизотропией. Ее механические свойства отличаются в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направления волокон. Если линия действия силы совпадает с направлением волокон, то прочность древесины достигает максимального значения, если сила действует под большим углом к волокнам, прочность будет в несколько раз меньше.

В настоящее время расчет деревянных конструкций производится по методу предельных состояний. Он в некоторой степени учитывает анизотропию свойств древесины в различных направлениях, но не в состоянии описать особенности микроструктуры дерева, например, наличие пороков (косослоя, сучков и т.п.), различие в свойствах у ранней и поздней древесины и т.д. Такие флуктуации имеют существенное значение, изменяя напряженное состояние в непосредственной от себя близости, приводя к местной дислокации напряжений и возникновению микротрещин.

Появляется необходимость в выработке принципиально новых подходов при анализе напряженного состояния, способных более точно описывать особенности строения сложных анизотропных материалов, в том числе и древесины.

Одним из таких направлений можно считать механику твердого деформированного тела, позволяющую исследовать микроструктуру материала.

Бурный рост механика разрушения получила лишь в последние десятилетия, хотя одно из основных ее уравнений было получено Гриффитсом еще в двадцатые годы.

Необходимо также отметить, что исследование деревянных конструкций методами механики разрушения ведется, в основном, на экспериментальном уровне сравнительно небольшим количеством ученых, причем до настоящего времени не существует единой теории, позволяющей наиболее точно и полно описать процессы, происходящие в древесине при разрушении£5].

Таким образом, целью представленной работы является исследование прочностных характеристик различных пород древесины при действии статических монотонных и циклических нагрузок.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решаются следующие основные задачи .

- обобщение результатов исследования поведения древесины при статических нагрузках в зависимости от внешних условий;

- разработка методики определения трещиностойкости древесины;

- выбор типа образцов для проведения испытаний;

- выбор наиболее опасных в реальных условиях типов раскрытия трещины и систем трещин;

- анализ процесса роста трещины при действии статических нагрузок у различных пород древесины;

- анализ напряженного и деформированного состояния в вершине тре-

щины.

В процессе решения поставленной проблемы применялись различные методы исследования: обобщение и анализ существующих литературных материалов, анализ серии экспериментов, обработка результатов, теоретический анализ полученных данных.

Основное научное значение работы состоит в теоретическом обосновании и предложении нового критерия разрушения древесины - величины поверхностной энергии, т.е. энергии, необходимой для образования единицы новой поверхности.

Практическое значение работы заключается в

- систематизации имеющихся до настоящего времени исследований в области оценки прочностных свойств древесины и влияния на прочность внешних факторов, таких как влажность, температура и т.п.;

- возможности применения полученных результатов для дальнейшего более углубленного проведения испытаний и анализа полученных значений;

- предложении более удобного для практического применения метода оценки прочностного состояния древесины.

Личный вклад автора состоит в обработке экспериментальных данных и получении на их основе теоретических закономерностей поведения древесины при воздействии статических нагрузок; анализе процессов, происходящих непосредственно в вершине развивающейся трещины.

Достоверность результатов работы обусловлена большим объемом экспериментальных данных, наличием высокоточного измерительного оборудования при экспериментах, тщательностью отбора образцов для проведения испытаний.

Работа выполнялась в несколько этапов: на первом изучалось современное состояние исследований в области прочностных свойств древесины, а также методы исследований. Второй этап - оценка методики определения трещино-

стойкости древесины, обоснования выбора испытуемого образца, испытательного оборудования и корректности проведения испытаний. Третий - анализ результатов исследований прочностных свойств древесины по результатам испытаний; и на заключительном, четвертом этапе, проводилось теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния в вершине трещины, обоснование введения нового критерия разрушения - поверхностной энергии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 132 страницах машинописного текста и включает 12 таблиц и 36 рисунков.

Характер работы требовал привлечения, систематизации и интеграции знаний из различных областей научных исследований. В частности, при анализе современных подходов к оценке прочности древесины изучались труды Броека Д., Зайцева Ю.В., Гаппоева М.М., Либовец Г., Дау Н.Ф., Сроули Дж., Си Г., Браун У., Баренблатта Г.И., Парис П., Боулгер Ф.У., Шемякина Е.И., Юкавы С., Ирвина Дж., Тимошенко С.П. и др. При попытках творчески обосновать новый подход к оценке прочности древесины автором диссертации использовались результаты многолетних высококвалифицированных исследований прочности различных типов древесины, осуществленные в России и за рубежом на современном испытательном оборудовании М.М. Гаппоевым.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю по аспирантуре доктору технических наук профессору Гаппоеву М.М. за предложение использовать его экспериментальные материалы для анализа закономерностей поведения различных типов древесины при статических и циклических нагрузках. Без этого полученные автором и изложенные в диссертации результаты были бы невозможны.

Глава 1. Состояние изученности прочности древесины.

1.1. Общие положения

В этой работе за основу взяты рекомендации АБТМ [1] .

На рисунке 1 представлен образец с трещиной и его основные характеристики.

Поле напряжений около кончика трещины можно разделить на три основные категории, каждая из которых сопряжена с местным видом деформации, как это показано на рис.2.

Форма I представляет собой модель отрыва - поверхности трещины расходятся прямо друг от друга, симметрично относительно плоскостей хоу и хог.

Форма поперечного сдвига 2 характеризуется перемещениями, при которых поверхности трещины скользят одна по другой перпендикулярно переднему краю (фронту) трещины.

Для продольного сдвига (форма 3) характерно скольжение поверхностей трещины друг по другу параллельно направляющему краю (фронту) трещины.

Виды 1 и 2 можно рассматривать как плоские задачи теории упругости, которые подразделяются на симметричные и кососимметричные относительно плоскости трещины. Вид 3 можно рассматривать как чистый сдвиг (или кручение) [23]

При определении характеристик древесины рассматривают три основных натуральных оси анизотропии дерева. Первая ось совпадает с направлением продольной оси и направлением волокон дерева и обозначается буквой Ь, вторая - направлена по радиусу поперечного сечения дерева (радиальное направление Я), а третья совпадает с направлением касательной к годовому кольцу (тангенциальное направление) (рис. 3).

щшрщ

> -м. л ¡их.

-к . .Г»*?' УЧ. » уф»

Рис. 1. Образец с трещиной

Ь - высота образца; а о - начальная длина трещины; Аа - прирост трещины; И - раскрытие трещины;

Ь - расстояние от центра образца до опоры; Да + ао - полная длина трещины; 1 - толщина образца;

со

Модель I

Модель II

Модель III

Рис 2. Три основных типа раскрытия трещины

Рис.3 Природные оси древесины

Обычно для математического описания структуры дерева применяют ортотропную модель. Легко можно увидеть взаимосвязь декартовых осей координат с природными осями древесины (рис. 3). Поэтому принятие ортотропной модели упрощает решение задач теории упругости.

При рассмотрении древесины с позиций механики разрушения очень важно знать, как ориентирована трещина и в каком направлении она будет развиваться. Различают шесть возможных видов или систем трещин в древесине (рис. 4),

Для их классификации применяют двухбуквенное обозначение, показывающее ориентацию и направление развития трещины. Первая буква обозначает направление нормали к плоскости трещины, вторая - направление развития трещины. [4].

Наибольший интерес при трещинообразовании представляет обеспечение жесткости в наиболее слабых направлениях, то есть при растяжении поперек волокон и сдвиг вдоль волокон, (первая и вторая модели развития трещины).

Природные оси анизотропии древесины позволяют, как частный случай, ввести трансверсальную анизотропию, перейдя от декартовой системе координат к цилиндрической. В этом случае оси координат будут главными осями анизотропии, совпадающими с природными направлениями. Так ось ъ будет соответствовать радиальному направлению (Д) , ось у - продольному (Ъ), ф -тангенциальному (Т). Трансверсальная анизотропия наиболее наглядно показывает происхождение двухбуквенной классификации трещин. Очевидно, что свойства древесины по окружности в направлении ф будут постоянными, а в двух других направлениях изменяющимися. Отсюда напрашиваются два вывода - первый о возможности уменьшения количества систем трещин, второй - о наибольшем практическом интересе к трещинам систем КЬ и ТЬ, как представляющих собой максимальную изменчивость свойств в обоих направлениях.

При экспериментальных исследованиях используются образцы с начальными надрезами, идентичными трещинам рассмотренного типа.

ь.

ть

ья

ят

\ N \ Л \

г \ 1 I 1

тл

ьт

Рис. 4. Системы возможной ориентации трещин в древесине.

1.2. Исследование древесины методами линейной и нелинейной механики разрушения.

Как отмечалось выше, дерево представляет собой сложный, неоднородный по структуре материал. Образование микротрещин и расслаивание в зоне перед вершйной трещины, а также перемыкание волокон в области контакта трещины с торцевой поверхностью, оказывают существенное влияние на характер растрескивания дерева. Подробные исследования данного процесса приведены в работах [5], [6].

До настоящего времени в подавляющем большинстве случаев используются подходы линейной механики разрушения (ЛМР). Они характеризуются изучением развития трещин по полям напряжений вдали от носика трещины, не касаясь структурных изменений материала около вершины трещины. ЛМР подходит к изучению процесса разрушения, применяя такие величины как коэффициент концентраций напряжений, вязкость разрушения и т.п. причем она стремится к максимальному упрощению методик расчета, стараясь не заглядывать непосредственно в саму вершину трещины.

Неудивительно, что в последнее время все шире применяется нелинейная механика разрушения (НЛМР), уделяющая основное внимание внутренней структуре материала. Исследовать внутреннюю структуру особенно важно не только для древесины, но и сходным с ней по строению композитных материалов.

Дискуссия по вопросу о границах применения ЛМР и целесообразности перехода к НЛМР ведется на протяжении последних десятилетий. Так, например, в 1965 году Г.Си теоретически определил напряжения и деформации окрестности трещины для ортотропного материала раздельно для моделей 1, 2 и 3. [8]. Он сделал вывод о допустимости применения методов линейной механики разрушения для определения коэффициентов интенсивности напряжений и интенсивности освобождения энергии для ортотропных материалов.

В 1978 году Ф.Смит и Д.Пеней, исследуя трещиностойкость балок, склеенных из хвойной древесины, подтвердили, что методы ЛМР приемлемы для описания разрушения древесины [9].

В 1990-ых годах М.М.Гаппоев [5] и Т. Шатц [6] подтвердили сделанные ранее выводы о возможности применения ЛМР для расчета деревянных конструкций. Доказывается, что использование концепций нелинейной механики разрушения приводит к усложнению методик расчета и экспериментальных исследований.

Однако, в ряде работ -указывается, что линейно-упругая модель трещинообразования, пренебрегающая неупругими

процессами и сопутствующими микроструктурными эффектами анизотропных материалов (дерево, слоистые композиты, керамические материалы и др.), у которых неоднородность является одной из наиболее важных характеристик, не представляется в большинстве случаев наиболее подходящей для исследования подобных материалов [7, 10, 11], Величина коэффициентов интенсивности напряжений и изломостойкости К^,может сильно зависеть от геометрии образца и его размеров, равно как и от применяемых методов испытаний, когда не исключены случаи, при которых физический смысл параметра Бчс становится неясным или вообще теряется [7].

Вместе с тем виды разрушения не ограничиваются понятиями "упругое" и "пластичное". Множество обстоятельств, например, условия нагружения, предопределяют наличие смешанного разрушения с непредсказуемой хрупкостью и вязкостью в изломе. [12].

Еще в конце 60-х годов в работе [29] было отмечено, что "ЛМР с присущими ей преимуществами простоты и известной стройности недостаточно полно охватывает процесс разрушения, чтобы оставаться и впредь основной теоретической базой... То, что возможно для теории упругих изотропных сред, неосуществимо для гораздо более локальных и потому структурочувствительных процессов разрушения... Лучше усложнить теорию, но вернее и точнее отобразить реальное разрушение, чем пользоваться очень простыми, но слишком идеализированными предположениями."

1.3. Исследования влияния внешних факторов на

распространение трещины в древесине.

То, что трещины с заострен