Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Балаковский институт техники, технологии и управления (филиал)
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС
Методические указания
к лабораторным работам по курсу
«Конструкции из дерева и пластмасс»
для студентов направления 270800.62
всех форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Балаковского института техники,
технологии и управления
Балаково 2014
2
ВВЕДЕНИЕ
Проведение лабораторных работ по курсу "Конструкции из дерева и
пластмасс" закрепляет знание теоретических положений курса, способствует глубокому пониманию действительной работы конструкционных материалов и конструкций, а также прививает студентам навыки в выполнении экспериментальных исследований.
Настоящие методические указания включают в себя описание двух
видов лабораторных работ: испытание материалов и испытание соединений.
В процессе выполнения лабораторных работ следует обратить особое внимание на принципиальные отличия в характере работы различных
соединений и оценить степень соответствия существующих расчетных положений фактическому напряженно-деформированному состоянию.
Для успешного и вполне осознанного проведения экспериментальных
работ студент должен изучить соответствующие разделы курса [2, 3, 4] и настоящие методические указания.
По выполненным лабораторным работам составляется журнал, который представляется к отчету.
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Описание каждой лабораторной работы приводится в определенной
последовательности, которой следует придерживаться студентам при выполнении работ. В начале каждой работы излагается цель исследования, приводятся эскизы образцов, приспособления для испытания, схемы загружения
образца при испытании и указывается порядок выполнения работы.
Фактические размеры образцов устанавливаются на основе замеров в
натуре до начала испытания и записываются в журнал. Размеры образца
определяются при помощи штангенциркуля или микрометра с точностью
до 0,1 мм. Теоретические значения несущей способности связей соедине3
ния, разрушающей нагрузки, деформаций определяются до начала испытания. Фактические прогибы и сдвиги определяются с помощью индикаторов часового типа.
Нагружение образца производится ступенями. Вид испытательной
машины и характер передачи нагрузки указываются в описаниях к лабораторным работам. После окончания каждой работы результаты испытаний
заносятся в журнал. В конечном итоге составляется заключение о результатах испытания, в котором приводится сравнение значения величин
несущей способности, разрушающей нагрузки и деформаций, полученных
экспериментальным путем, ее значениями, определенными теоретически;
анализируются причины отклонении результатов; выясняется характер
разрушения и строятся графики зависимости деформаций от нагрузки.
Отчет по каждой лабораторной работе оформляется в тетради и содержит: 1) название работы; 2) цель работы; 3) описание методики эксперимента с представлением аккуратно оформленных в карандаше рисунков, схем
нагружения, графиков, образцов и характеров разрушения; 4) результаты
эксперимента, представленные в табличной и графической формах; 5) анализ результатов и выводы; 6) собственная оценка полученных результатов
на основе сравнения экспериментальных данных с теоретическими.
Техника безопасности при выполнении лабораторных работ
Лабораторные работы проводятся техническим персоналом лаборатории под руководством преподавателя и при участии студентов. В помещении
лаборатории должны быть все необходимые условия для успешного проведения испытаний. Испытательная машина должна освещаться дневным или
искусственным светом и иметь защитные ограждения подвижных частей.
Перед началом проведения каждой лабораторной работы преподавателем проводится инструктаж по технике безопасности, в котором особое
внимание уделяется условиям выполнения работы.
В период выполнения работы студенты должны находиться в зоне
4
расположения испытательной машины или экспериментальной установки.
При этом они должны быть внимательны и обязаны строго выполнять указания преподавателя, а также соблюдать требования запрещающих и предупреждающих надписей, которые имеются на стендах и лабораторных установках.
Включение и выключение испытательных машин и нагружающих установок должно выполняться преподавателем или лаборантом. Изготовление лабораторных образцов производится лаборантом.
Лабораторная работа 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ
Цель работы - изучение методов определения пределов прочности
при сжатии, статическом изгибе, скалывании.
1. Основные понятия
Механические свойства, к которым относятся прочность и деформативность, характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил. Прочность - способность материала сопротивляться
разрушению под действием механических нагрузок. Показателем прочности является предел прочности - максимальное напряжение, которое выдерживает материал без разрушения. Предел прочности устанавливают
при испытании древесины на сжатие, изгиб, растяжение и скалывание.
Учитывая, что древесина является анизотропным материалом, показатели
прочности определяют в различных структурных направлениях: вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях. Деформативностью
называется способность материала изменять свои размеры и форму под
воздействием механических нагрузок. Показателями деформативности являются модули упругости, коэффициенты поперечной деформации, модули сдвига и др.
Оборудование, приборы, инструменты и материалы: испытательная
5
машина - пресс ПСУ-10; специальные приспособления для проведения испытаний на сжатие, изгиб и скалывание; штангенциркуль ШЦ-П с погрешностью измерения не более 0,1 мм; микрометр; металлическая линейка,
стальной угольник; пила; щетка; образцы из древесины в форме призмы
размером 20x20x30 мм ГОСТ 16483.10-84, в форме бруска размером
20x20x300 мм ГОСТ 16483.3-84 и образцы по ГОСТ 16483.5-75.
2. Подготовительные работы
Для выполнения механических испытаний древесины необходимо
изготовить образцы на сжатие, изгиб и скалывание вдоль и поперек волокон. Форма и размеры образцов должны соответствовать рис. 1, 2, 3. Правильность и точность изготовления образцов проверить угольником, линейкой и штангенциркулем; отклонения от размеров допускаются не более
±0,5, по длине ±1 мм.
3. Экспериментальная часть
Задание 1
Определение предела прочности при сжатии древесины вдоль волокон
Порядок выполнения работы:
1. Испытать образцы древесины на сжатие вдоль волокон до разрушения. Для этого штангенциркулем измерить на середине длины образца размеры поперечного сечения. Одной из торцевых поверхностей образец поместить в центре шаровой опоры приспособления. Вспомогательное приспособление с образцом поместить между головками машины и слегка зажать его.
Стрелка силоизмерителя в это время должна быть на нулевом делении шкалы. Произвести испытание образца. Скорость подачи нагрузки на образец
равномерная в течение всего времени испытания. При испытании сила должна быть направлена вдоль волокон образца. Испытание довести до разрушения образца, т.е. до момента движения стрелки силоизмерителя в обратную
сторону.
2. После испытания вынуть приспособление с образцом и записать в
6
рабочую тетрадь показания стрелки силоизмерителя в момент разрушения
образца. Рабочую и контрольную стрелки машины поставить на нулевое деление шкалы.
3. Осмотреть разрушенный образец, обратить внимание на характер его
разрушения. Вид образца до и после испытания зарисовать в журнал лабораторных работ.
4. Вычислить предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон.
5. Результаты определения предела прочности древесины при сжатии
записать в таблицу 1.
Таблица 1
№
п/п
1
Определение предела прочности при сжатии
Размеры поперечного
Предел прочности
Максимальная
сечения образца, мм
образца при сжанагрузка
Р
,
mаx
тии
ширина
высота
кН
c
b, мм
h, мм
R пп ,МПа
2
3
4
5
Характер
разрушения
образца
6
Рис.1. Приспособление к прессу для испытания образцов древесины на сжатие
вдоль волокон: 1- плита; 2- шаровая опора; 3- образец; 4- корпус; 5- пуансон; 6- колпачок
Задание 2
Определение предела прочности древесины при статическом изгибе
Порядок выполнения работы:
1. Измерить штангенциркулем посредине длины каждого образца
7
ширину b по радиальному направлению и высоту h по тангенциальному.
Записать в тетрадь данные измерений. Образец укладывается на неподвижные закругленные опоры.
2. Предел прочности при статическом изгибе определить на образце в виде балочки. Образец испытать на поперечный изгиб до разрушения. Перед испытанием образец поместить по схеме в приспособление
свободно лежащей на двух опорах балки, которая загружена двумя или одним сосредоточенными грузами (рис. 2). Радиус закругления неподвижных опор и ножей приспособления равен 15 мм. Образец на опоры поместить так, чтобы изгибающие усилия были направлены по касательной к годичным слоям (изгиб тангенциальный). При испытании древесины мягких
пород на опоры и под ножи помещают фанерные прокладки размером
20x20x5 мм.
а)
б)
Рис.2. Схемы испытания древесины на статический изгиб:
а- при нагружении в одной точке посредине расстояния между опорами;
б- при нагружении в двух точках на одной трети расстояния от опор
3. Образец испытать до разрушения (полного излома), т.е. до того
момента, когда стрелка шкалы силоизмерителя начнет двигаться в обратную сторону.
4. Установить приспособление вместе с образцом между плитами
пресса, отцентрировать, образец загрузить. Скорость нагружения должна
быть равномерной в течение всего времени испытания и составлять 7±1,5
кН/мин при испытании по схеме рис. 2а и 5±1,0 кН/мин - по схеме рис. 2, б.
5. Выключить пресс, вынуть из него приспособление с образцом.
Вычислить предел прочности древесины при статическом изгибе σw с по8
грешностью не более 1 МПа. В журнал лабораторных работ записать результаты испытания древесины на статический изгиб (табл. 2).
Таблица 2
Определение прочности при изгибе
Размеры образца, мм
№
п/п
b
h
l
1
2
3
4
Максимальная
нагрузка Рmаx,
кН
Предел прочности
образца при сжатии
Rпп ,МПа
5
6
Характер
разрушения
образца
7
Задание 3
Определение предела прочности древесины при скалывании вдоль волокон
Порядок выполнения работы:
1. Измерить штангенциркулем ширину образца b и длину l по ожидаемой плоскости скалывания.
2. Поместить образец в приспособление для испытания. Перемещением подвижной опоры 7 (рис. 3) обеспечить прилегание опорных граней
образца к соответствующим поверхностям приспособления. Подвижная
опора к образцу должна прижиматься с силой 5-9 Н.
3. Поставить приспособление с образцом в собранном виде на опорную плиту пресса так, чтобы верхняя торцевая поверхность длинной части
образца находилась в центре приложения нагрузки.
Рис.3. Приспособление для испытания древесины на скалывание вдоль волокон:
1 - корпус; 2 - пружина; 3 - подвижная планка, 4 - ролики, 5 ~ нажимная призма с шаровой опорой; б - образец; 7 - опора; 8 - устройство для прижима подвижной опоры
9
4. Испытать на скалывание образец сначала в тангенциальной плоскости, затем в радиальной. По шкале силоизмерителя определить максимальную
нагрузку с погрешностью не более цены деления шкалы силоизмерителя.
5. Вычислить предел прочности при скалывании древесины.
6. Записать результаты испытания древесины на скалывание вдоль
волокон в табл. 3.
Таблица 3
№№
п/п
1
Определение предела прочности при скалывании
Размеры поперечного сечения
Предел
образца, мм
прочности
Максимальная
нагрузка Рmаx, при скалываширина,
длина,
ск
кН
нии Rпп ,
b
l
МПа
2
3
4
5
Характер
разрушения
6
4. Обработка результатов эксперимента
Задание 1
Предел прочности древесины при
сжатии вдоль волокон опре-
деляется по формуле:
Rпп=
Pmaх
,
A
(1)
где Рmаx - максимальная нагрузка, кН; А=h∙b - площадь поперечного сечения образца, см2.
Полученные данные записать в журнал. В графе 6 таблицы 1 зарисовать разрушенный образец и описать характер разрушения.
Задание 2
Предел прочности при статическом изгибе определяется на балочках.
Образец нагружается равномерно со скоростью 7,0±1,5 кН/мин. Испытание
проводится до разрушения образца, т.е. до момента, когда стрелка силоизмерителя начнет перемещаться в обратную сторону. Максимальная нагрузка
определяется по контрольной стрелке с точностью до 0,01 кН. В процессе нагружения следует обратить внимание на сжатую зону образца, фиксируя на10
грузку при появлении на верхней грани складок, что свидетельствует о начале развития пластических деформаций в сжатой зоне образца.
Предел прочности древесины при статическом изгибе вычисляется
по формулам:
- при нагружениях в двух точках
изг
2P
l 2P
l
Rпп
= maх2 = maх3 ;
bh
(2)
b
- при нагружениях в одной точке
изг
3P
l 3P
l
Rпп
= maх 2 = maх3 ,
2bh
(3)
2b
где Рmax- максимальная нагрузка, кН; l - расстояние между опорами, см; b ширина сечения образца, см; h - высота сечения образца, см.
Результаты данного эксперимента приводятся в табл. 2.
В графе 7 таблицы 2 зарисовывается вид образца, характер образования складок и характер разрушения образца.
Задание 3
Предел прочности древесины при
скалывании определяется по
формуле:
ск
P
Rпп
= m ax ,
b l
(4)
где Рmаx - максимальная нагрузка, кН; l - длина площадки скалывания, см;
b - ширина образца, см.
Результаты испытания древесины на скалывание вдоль волокон записывают в таблицу 3.
В графе 6 таблицы 3 зарисовывается характер разрушения образца.
Примечание. В графах 2 и 3 таблицы 3 приведены размеры сечения скалываемой части образца.
5. Содержание и оформление отчета (для всех лабораторных работ):
Отчет выполняется на листах формата А4 и содержит следующее:
11
1) название лабораторной работы; 2) цель работы; 3) основные понятия; 4)
подготовительные работы; 5) экспериментальную часть; 6) обработку результатов эксперимента; 7) сравнение результатов эксперимента с результатами аналитических расчетов.
6. Время, отведенное на выполнение работы – 3 акад.часа
1. Подготовка к выполнению работы – 0,5 акад.часа.
2. Выполнение работы – 1,5 акад.часа.
3. Обработка полученных результатов – 1,0 акад.час.
Вопросы для самоконтроля
1. Как работают и рассчитываются сжатые элементы?
2. Как рассчитываются элементы по прочности на изгиб?
3. Как рассчитываются деревянные элементы на скалывание?
4. Каковы характеры разрушения образцов при сжатии, поперечном изгибе
и скалывании?
5. С какой целью определяются прочностные характеристики древесины и
где они используются?
Лабораторная работа 2
ИСПЫТАНИЕ ДО РАЗРУШЕНИЯ ДВУХСРЕЗНОГО СОЕДИНЕНИЯ
НА ГВОЗДЯХ
Цель работы - экспериментальное определение несущей способности и деформативности двухсрезного гвоздевого соединения из трех досок. Сравнение теоретического расчета с экспериментальными данными.
1. Основные понятия
Гвоздевые соединения, применяемые в стыках и узлах дощатых конструкций и препятствующие взаимным смещениям соединяемых элементов, относятся к соединениям с изгибаемыми связями (гвоздями), в таких
соединениях гвозди работают на изгиб, а окружающая древесина - на смятие. Срезами в гвоздевых соединениях называются пересечения гвоздей с
плоскостями сдвига между элементами, от числа которых зависит несущая
12
способность соединения. Однако напряжения среза в гвоздях незначительны и не определяют их несущей способности.
Приборы и инструменты: стрелочный индикатор с ценой деления
0,01 мм со специальным зажимом, упор.
2. Подготовительные работы
При испытании на срез пользуются образцом небольшой высоты во
избежание искривления образцов при действии сжимающего усилия. Толщина средней и крайних досок равна соответственно: с=40 мм, а =25 мм;
ширина досок b=100 мм, l=250 мм. Диаметр и длина гвоздей; dгв=4 мм, lгв
=90 мм.
Расстояние между гвоздями при шахматной расстановке по СНиП II25-80:
- от торца элемента до оси правого ряда гвоздей: S1′≥15d;
- между рядами гвоздей вдоль элемента: S1≥7,5d;
- между осями гвоздей поперек волокон: S2≥3d;
- от кромки элемента до оси первого ряда: S3≥4d.
Расстановка полученного количества гвоздей и определение расчетной длины гвоздя производится в соответствии с указаниями СНиП II-2580, п.п.5.18-5.21. При этом следует стремиться к минимально возможной
длине стыка: S1=30 мм; S2=20 мм; S3=30 мм; S1′=60 мм; S=70 мм.
Для изготовления образца соединения применяется древесина влажностью W=20%. На пластях крайних досок размечаются места забивки
гвоздей, затем заготовки укладываются на твердое основание и соединяются гвоздями. После этого на боковую поверхность образца крепится
упор и зажим для индикатора в соответствии с рис.4. Подготовленный к
испытанию образец показывается преподавателю, который разрешает проводить испытание.
13
Рис.4. Двухсрезное гвоздевое соединение:
1 – средняя доска; 2 – крайние доски; 3 – индикатор часового типа; 4 – зажим, с
помощью которого индикатор крепится к средней доске; 5 – упор, прикрепленный к
крайним доскам; а – толщина крайних досок; b – ширина досок; с – толщина средней
доски; Р – нагрузка на соединение
3. Определение расчетной нагрузки РТ на гвоздевое соединение
Несущая способность одного среза гвоздя определяется по следующим формулам:
а) по изгибу гвоздя: Ти=2,5∙d2+0,01∙a2;
(5)
б) по смятию в средних элемента: Тс=0,5∙сd;
(6)
в) по смятию в крайних элементах: Та=0,8∙аd;
(7)
г) по смятию во всех элементах равной толщины: Тс=0,35∙сd,
(8)
где а, с – толщина соответственно крайнего и среднего элементов (досок);
d- диаметр гвоздя.
Несущая способность одного среза гвоздя Тгв принимается наименьшей из численных значений, рассчитанных по формулам (5)…(8). Требуемое количество гвоздей определяется по формуле:
14
n=
Ðmax
,
Tãâmin ncp
(9)
где Рmax- расчетная нагрузка (кН); ncp- число срезов одного гвоздя; Т mгв in минимальная несущая способность одного среза гвоздя (кН).
Полученное по формуле (9) количество гвоздей округляется в большую сторону до целого числа и затем уточняется расчетная нагрузка РТ на
гвоздевое соединение
РТ= Т mгв in ∙ n ∙ ncp≤ Рmax;
(10)
по формуле (11) для определения коэффициента запаса соединения теоретическая расчетная нагрузка РТ приводится к кратковременной
РТ
Р =
,
К дл
Т
кр
(11)
где Кдл=0,67 – наиболее вероятное значение коэффициента длительности
при воздействии постоянных и временных нагрузок. В случае определения
Т min из условия изгиба гвоздя в знаменателе указанной формулы следует
ввести
К дл
0,67 .
4. Экспериментальная часть
Порядок выполнения работы. Механические испытания гвоздевого соединения производятся на прессе марки ПСУ или другой машине в
лаборатории
механических
испытаний.
Для
определения линейного
перемещения средней доски относительно крайних досок индикатор крепится к среднему элементу, а его измерительный стержень упирается в неподвижный упор 5 (см.рис.4). Измерение деформаций гвоздевого соединения производится индикатором часового типа с ценой деления 0,01
мм. Образец данного гвоздевого соединения устанавливается для испытания на опорные плиты пресса в соответствии со схемой, приведенной на рис.4. Определяется наибольшая нагрузка, при которой гвоздевое соединение доводится до разрушения.
Нагружение образца производится по заранее намеченным ступеням
15
(примерно по 20 - 30% от расчетной нагрузки). После приложения каждой
ступени нагрузки делается выдержка 15-20 сек., необходимая для проявления полных деформаций.
Значения деформаций на каждой ступени
нагружения заносятся в журнал испытаний.
Испытание продолжается до того момента, пока рост деформаций
будет происходить без увеличения нагрузки, что указывает на потерю
гвоздевым соединением несущей способности. После этого образец снимается с опорной плиты и раскалывается вдоль волокон по плоскостям забивки гвоздей. Для анализа характера разрушения гвоздевого соединения
рассматриваются деформации гвоздей и гнезд под ними.
5. Обработка результатов эксперимента
По результатам механического испытания (табл.4) строится график
зависимости: нагрузка - деформация (рис.5). В качестве разрушающей нагрузки принимается такое ее значение, которое предшествовало значительному прекращению деформаций. Коэффициент запаса гвоздевого соединения определяется по формуле:
Ðmax
k= T ,
P
где Рmax- разрушающая нагрузка;
(12)
Р T - расчетная несущая способность
гвоздевого соединения, определяемая по формуле (10).
Таблица 4
Нагрузка,
кН
Определение деформаций соединений
1
Индикатор №1
ПрираОтсчет
щение
С1
∆С1
2
3
Индикатор №2
ПрираОтсчет
щение
С2
∆С2
4
5
Среднее значение
Полная дефорПриращение
мация
C1
C2
ср
Cср k n
2
6
16
7
Примечание
8
Рис.5. График "нагрузка – деформация"
После раскалывания разрушенного образца и анализа характера разрушения студент должен выполнить эскиз соединения, потерявшего несущую способность.
6. Время, отведенное на выполнение работы – 2 акад.часа
1. Подготовка к выполнению работы – 0,5 акад.часа.
2. Выполнение работы – 1,0 акад.час.
3. Обработка полученных результатов – 0,5 акад.часа.
Вопросы для самоконтроля
1. Как работает изгибаемый гвоздь и как определяется его прочность?
2. Каков характер разрушения гвоздевого соединения?
3. Происходит ли срез гвоздей?
Лабораторная работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ
Цель работы - экспериментальное определение прочности клеевого
соединения; сравнение теоретического расчета с экспериментальными
данными.
1. Основные понятия
Клеевые соединения являются прочными, монолитными и имеют
очень малую податливость, которая при расчетах не учитывается. Адгезионные и когезионные связи клеевого соединения и его швов должны быть
17
выше прочности древесины. Клеевые соединения должны разрушаться при
нагружении выше предела прочности не по швам и граничным слоям, а по
цельной древесине.
В зависимости от марки клея и породы древесины определяется расчетная несущая способность клеевого соединения:
Ткл=Аск∙Rск.кл ; Tд=Aск∙Rск,
(13)
где Ткл - расчетная несущая способность клеевого шва на скалывание;
Tд - расчетная несущая способность древесины; Aск - площадь скалывания
клеевого шва и древесины (площади примерно одинаковы); Rск.кл, Rск - расчетные сопротивления соответственно клеевого шва скалыванию и древесины скалыванию вдоль волокон.
Приборы, инструменты и приспособления: пресс ПСУ-10; специальное приспособление, позволяющее испытать склеенные образцы на срез;
бруски размером 50x50x25 мм, и 50x65x25 мм. Бруски склеивают фенолоформальдегидным или резорциновым клеем.
2. Подготовительные работы
Для проведения механического испытания изготавливаются два образца, размеры которых в мм приведены на рис.6. В одном составном образце бруски склеиваются остроганными поверхностями. Конструирование
и изготовление деревянных образцов и их склеивание выполняются в лаборатории «Строительные конструкции» кафедры ПГС.
б)
а)
Рис.6. Образец для испытания клеевого соединения на скалывание (а) и схема механического испытания (б)
18
3. Экспериментальная часть
Механические испытания образцов проводятся на прессе марки
ПСУ-10 с помощью специального приспособления (см.рис. 3).
Порядок выполнения работы:
1. Измерить стальной линейкой ширину и длину малого образца
(см.рис.6,а) по ожидаемой плоскости скалывания.
2. Поместить образец в приспособление для испытания. Согласно принятой схемы механических испытаний деревянных склеенных образцов – пластинок на срез (см.рис.6,б) была изготовлена специальная установка (см.рис.3),
позволяющая достаточно точно осуществить срез без влияния изгиба.
3. Перемещением подвижной опоры 7 (см.рис.3) обеспечить примыкание опорных граней образца к поверхностям приспособления.
4. Установить приспособление с образцом на опорную плиту пресса
так, чтобы верхняя торцевая поверхность длинной части образца находилась в центре приложения нагрузки.
Нагрузка к образцу прикладывается с постоянной скоростью до момента разрушения клеевого соединения. Результаты эксперимента заносятся в табл. 5.
Таблица 5
Определение прочности клеевого соединения
Номер образца
Марка
клея
1
2
Площадь
Разрушающая
Характер Коэффициент
склеивания,
нагрузка
разрушения
запаса
см2
кН
3
4
5
6
4. Обработка результатов эксперимента
После завершения эксперимента заполняются все графы табл. 5.
Производится осмотр поверхностей разрушения, описывается характер разрушения, по которому определяется влияние острожки и поверхностей на предел прочности соединения.
На основании данных эксперимента и теоретического расчета, по
19
формуле (14) определяют коэффициент запаса клеевого соединения
k=
Р разр
Т
,
(14)
где Рразр - разрушающая нагрузка из эксперимента; Ткл - расчетная несущая
способность клеевого соединения, определяется по формуле (13).
4. Время, отведенное на выполнение работы - 2 акад.часа
1. Подготовка к выполнению работы – 0,5 акад.часа.
2. Выполнение работы – 1,0 акад.час.
3. Обработка полученных результатов – 0,5 акад.часа.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем заключаются основные достоинства клеевых соединений?
2. Какая древесина и какие клеи применяются в клеевых соединениях?
3. Какие стыки применяют в клеёных конструкциях и как они работают?
Лабораторная работа 4
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК
ЦЕЛЬНОГО И СОСТАВНОГО СЕЧЕНИЯ
Цель работы - определение несущей способности и деформативности деревянных балок цельного и составного сечения при статическом
поперечном изгибе.
1. Основные понятия
В изгибаемом элементе от нагрузок, действующих поперек его продольной оси, возникает изгибающий момент и поперечная сила. При этом
в сечениях элемента возникают деформации и напряжения изгиба. Изгибаемые элементы рассчитываются по несущей способности - прочности на
действие изгибающего момента и поперечной силы от расчетных нагрузок
и по прогибам от нормативных нагрузок. Прочность и жесткость изгибаемых элементов (балок) зависит от размеров и форм поперечных сечений,
определяющих их геометрические характеристики: момент инерции I, момент сопротивления W и статический момент S.
20
Прочность изгибаемых элементов рассчитывают по формуле:
σ=
M
≤Rи
Wp
(15)
где Wp - расчетный момент сопротивления; М - максимальный изгибающий момент; Rи - расчетное сопротивление древесины изгибу.
Расчет изгибаемого элемента по прогибам заключается в определении его наибольшего прогиба от нормативных нагрузок и сравнении его
значения с предельным, допустимым нормами проектирования, т.е.
f
l
f
l
.
(16)
пред
Приборы и принадлежности: нагрузочное рычажное устройство; индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм; штангенциркуль с точностью измерения до 0,1 мм; образцы - балки составного и цельного сечения;
штатив для индикатора; грузы.
3. Подготовительные работы
Для проведения механических испытаний на статический изгиб используют балки цельного и составного сечения (рис.7, 8). Правильность и
точность подготовленных к испытанию образцов проверяют угольником и
измерительной линейкой.
Рис.7. Схема испытания балок на изгиб:
1 – стол; 2 – опорная подушка; 3 – испытуемая балка; 4 – рычаг; 5 – грузы; 6 –
индикатор, установленный на штативе; 7 – центрируемая балка
21
Рис.8. Типы составных балок для испытания на изгиб: а – без связей; б – на
гвоздях; в – на клею; г – цельного сечения
Механические испытания балок цельного и составного сечения
производят на стенде по схеме (см.рис.2 а, б).Нагрузочным устройством
служит рычаг с отношением плеч 1:6, что позволяет небольшими грузами
41,6 Н создавать ступени нагружения по 250 Н.
Измерение прогибов балок выполняют индикаторами часового типа
с ценой деления 0,01 мм. Испытывают четыре типа балок цельного и составного сечений. Полученные данные эксперимента сравнивают с результатами теоретического расчета.
4. Экспериментальная часть
Порядок выполнения работы. Механические испытания балок
цельного и составного сечения проводят в два этапа.
Этап 1. К балке через рычаг прикладывают нагрузку ступенями по 250
Н. Первой ступенью нагрузки является сам рычаг, от веса которого на балку
действует нагрузка 250 Н. Нагрузку прикладывают плавно без рывков. Перед
тем как начать загружение балки, устанавливают индикатор к балке, а стрелку
индикатора совмещают с нулевым делением шкалы. Перед загружением каждого этапа показание индикатора заносят в графу 3 табл. 6.
На каждом этапе загружения получают упругие деформации fупр и остаточные деформации focm, которые заносят соответственно в графы 6 и 7 табл. 6.
Полные деформации f = fупр + focm заносят в графу 8 табл.6. После приложения
расчетной нагрузки Р определяют сумму деформаций упругих, остаточных и
полных. В результате снятия нагрузки и подъема рычага, снимают отсчет по
индикатору в течение 2-3 сек. Затем выдержка (в это время снимают грузы с
рычага) до полного затухания деформаций (до 3-х минут) и берут отсчет, ко22
торый должен быть близким к отсчету до загружения балки.
Таким образом испытывают четыре типа балок.
Таблица 6
Ступени загружения
Величина ступени
загружения
Сравнительная таблица работы балок цельного
и составного сечения
1
2
Величина
прогиба fупр,
мм
Показания индикатора, в мм
до начала
ступени
загружения
3
после начала после выдержки
загружения
на данной стуступени
пени загружения
fупр focm fполн
через 2-3
в течение 3-5
секунды
мин до прекращения роста
4
5
6
7
8
Величина
прогиба, определенная
теоретически,
в мм f
9
Этап 2. На рычаг навешивают грузы до расчетного значения силы Р
(с учетом веса рычага). Стрелку индикатора выводят на нулевое положение. Затем плавно опускают рычаг с полным грузом Р на балку и снимают
отсчет в течение 2-3 секунд. Результаты фиксируют в табл. 6 (fупр). Эту нагрузку выдерживают до полного прекращения роста прогиба и снова снимают показание индикатора (f = fупр + focm). Затем поднимают рычаг с грузом
(балка разгружена) и в течение 2-3 секунд снимают отсчет, который фиксируют в табл. 6.
После прекращения измерения прогиба (выдержка до 3-х минут)
снимают последний отсчет и заносят в табл.6. Этап 2 выполняется только
для балки типа (г).
4. Обработка результатов эксперимента
1. Определение величины расчетной нагрузки, приложенной в середине пролета балки.
Для балки (рис. 9) изгибающий момент определяют по формулам:
M = W∙Rи; М=
Откуда Р = 4∙М/l, где
P l
.
4
(17)
Rи - расчетное сопротивление древесины из23
гибу (СНиП 11-25-80 [1]); l - пролет балки; W - момент сопротивления балки типа: а - W0=bh2/3; б – Wn=KW∙Wч; в, г - Wч=2bh2/3 (KW - коэффициент
податливости связей).
2. Определение максимального прогиба по схеме рис. 9.
Рис. 9. Расчетная схема механических испытаний балок при статическом изгибе
Прогиб в однопролетной балке под действием сосредоточенной нагрузки Р определяется по формуле:
1 Р0 l 3
f=
,
48 EI
(18)
где I- момент инерции сечения; Е- модуль упругости материала балки (сосна);
Р0- величина ступени нагружения, принимаемая в эксперименте 250 Н.
Для балки типа «а»: Ia=hh3/6; типа «б»: Iб=Iч∙kж; типа «в», «г»:
Iч=2bh3/3 (kж -коэффициент, учитывающий понижение жесткости).
Прогибы определяются отдельно для каждого типа балок.
По данным прогибов этапа 1 строится график (рис.10 а). На данном
графике показывают теоретическую прямую (пунктирная линия). Подобные графики строят для всех четырех типов балок. По результатам этапа 2
строят график (рис.10, б), на котором прогиб с индексом «Н» означает прогиб при нагрузке, а с индексом «Р» - при разгрузке.
а)
б)
Рис.10. Графики прогибов: а – для 1 этапа; б – для 2 этапа
24
Полученные результаты эксперимента сравнивают с теоретическими
решениями и дается анализ расхождения.
5. Время, отведенное на выполнение работы – 3 акад.часа
1. Подготовка к выполнению работы – 0,5 акад.часа.
2. Выполнение работы – 1,5 акад.часа.
3. Обработка полученных результатов – 1,0 акад.час.
Вопросы для самоконтроля
1. Как работают и рассчитываются брусчатые балки при изгибе?
2. В чем отличие составного элемента со связями на клею от элемента
цельного такого же сечения?
3. Как рассчитывается изгибаемый элемент по прочности и по прогибам?
Лабораторная работа 5
МЕХАНИЧЕСКОЕ ИСПЫТАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ С ВКЛЕЕННЫМИ СТАЛЬНЫМИ СТЕРЖНЯМИ
Цель работы - определение несущей способности клееметаллического соединения.
1. Основные понятия
Клееметаллическое соединение представляет собой соединение деревянных элементов при помощи вклеенных или наклеенных стальных
стержней. Соединения на вклеенных стержнях состоят из коротких стальных стержней (арматура классов А-II, А-III) диаметром 12...32 мм, вклеенных в прямоугольные пазы или круглые отверстия клеем, обеспечивающим надежное соединение древесины с металлом. Глубина вклеивания
l=10-30d, ширина паза или отверстия на 5 мм больше диаметра стержня,
расстояние между стержнями не менее 3d, а до края сечения элемента - 2d.
Вклеенные стержни используют для продольного и углового соединения клеёных элементов, работающих на продольные силы и изгибающие моменты. Они воспринимают продольные силы N при растяжении (выдергивание) или сжатии (вдавливание). Скрытые в толще древесины стержни защи25
щены от химически агрессивной среды и быстрого нагрева при пожаре.
Клеевые соединения стержней работают на скалывание по площади,
равной А = πl(d+0,005) м2. Напряжение скалывания распределяется по
длине скалывания неравномерно, уменьшаясь к концам стержней.
Приборы, инструменты и приспособления: стальная измерительная
линейка, штангенциркуль, индикатор часового типа с ценой деления 0,01
мм, кондуктор, образцы, испытательная машина - пресс ПСУ-10 с погрешностью измерения нагрузки не более 1%.
2. Подготовительные работы
Для выполнения работы студентам выдают заранее изготовленные
образцы (рис.11 а), имеющие с одного торца засверленные отверстия в
продольном направлении под стальной стержень соответствующей длины
из арматуры классов А-П или А-Ш диаметром d = 12-16 мм (рис.11 б).
С помощью штангенциркуля и линейки производят обмер этих образцов с точностью до 0,1 мм. Глубина вклеивания стержня l1′, l2′ должна
удовлетворять условию l1′≥10d, l2′≤30d (рис. 11 в), требуемый диаметр отверстия d равен d0 + 0,005 м, где d - диаметр стержня, а расстояние до края
кромки сечения образца не менее 2d. Результаты обмера заносят в соответствующую таблицу журнала. Кроме того, на каждом из склеиваемых образцов проставляют глубину вклеивания l1, l2, диаметр отверстия, а также
диаметр стержня и класс арматуры.
Для выполнения соединения используют эпоксидно-цементный клей
марки ЭПЦ-1 холодного отверждения.
Клееметаллическое соединение выполняют в следующем порядке. На
оба сопрягаемых элемента устанавливают кондуктор, служащий для фиксации
и запрессовки соединения, а также для закрепления образца в зажимах испытательной машины при проведении эксперимента. Отверстие (канал для
стержня) одного из элементов заливается клеем на 1/3 глубины. В отверстие
вставляют до упора стержень, при этом излишки клея, выдавливаемые стерж26
нем на торец элемента, удаляют. Затем на торец надевают прокладку из полиэтиленовой пленки с отверстием для стержня, которая предотвращает склеивание элементов по поверхности торцов (впритык). Канал второго элемента
также заполняют клеем на 1/3 глубины. Элементы соединяют друг с другом
путем фиксации и стягивания болтами кондуктора. Излишки клея, выдавленные из стыка, удаляют деревянной лопаточкой.
На соединенных элементах надписывают соответствующие размеры
глубины вклеивания и диаметр стержня, а также класс арматуры. Образец выдерживают в кондукторе в течение 24 ч, после чего стяжные болты снимают.
3. Определение расчетной несущей способности
соединения с вклеенными стержнями
Клееметаллическое соединение при действии растягивающей силы
работает
на
скалывание
по
поверхности,
равной
произведению
минимальной глубины вклеивания l1′ или l2′ на периметр отверстия πd0,
(рис.11).
Расчет
соединения
производят
с
учетом
коэффициента
неравномерности распределения скалывающих напряжений kск по длине
(kск = 1,2 + 0,02 l′min/d). Расчетную несущую способность одного стержня
из условия скалывания клеевого соединения находят по формуле:
Т=π∙ l′min∙ d 0∙ Rск ∙ kск,
где Rск=1,2 МПа - расчетное сопротивление древесины скалыванию; l′minнаименьшее из значений l1′ и l2′ ; d 0=0,005 м.
Несущую способность соединения определяют по формуле:
Р=nст∙Т,
где nст – количество стальных стержней в соединении.
27
а)
в)
б)
г)
д)
е)
Рис.11. Конструкции и схемы испытания клееметаллического соединения:
а– образцы; б – стержень (штырь); в – схема загружения образца при испытании; г –
закрепление образца в кондукторе; д – деталь кондуктора; е – график зависимости
σ=f(ε)
4. Экспериментальная часть
Перед установкой склеенного образца в испытательную машину на
двух противоположных гранях его устанавливают для замера деформации
стыка четыре индикатора часового типа: два индикатора (T1 и Т2) на стыке
элементов и два (Тз и Т4) посредине одного из стыкуемых элементов (на
28
двух противоположных гранях). Затем образец закрепляется в испытательной машине и загружается сначала пробной нагрузкой, величина которой
равна 10% от расчетной для начального обмятия древесины под болтами
кондуктора. После пятиминутной выдержки пробная нагрузка снимается.
При испытании стыка нагрузку прикладывают ступенями, равными
20% от расчетной нагрузки. На каждой ступени нагружения после пятиминутной выдержки снимают показания всех индикаторов. Результаты отсчетов заносят в журнал лабораторных работ. При значении нагрузки Р =
2Ррасч, снимают показания приборов и дальнейшее нагружение образца ведут плавно нарастающей нагрузкой вплоть до разрушения. В журнал заносят значение разрушающей нагрузки Pразр. Приводится рисунок с кратким
описанием характера разрушения.
5. Обработка результатов испытаний
В ходе эксперимента использовался клей ЭПЦ-1-эпоксидно-цементный,
состоящий из 1 части эпоксидного клея, 2 частей портландцемента.
Результаты эксперимента:
эксп
min
17 кН .
120 мм; nст = 1 шт. Tвыд
dст=12 мм; l раб
теор
Т выд
теор
Т выд
общ
Т выд
nст Т вкл.ст. ;
А рабпов Rск k ок
d ст
min
0,005 l раб
Rск k ск
1 3,14 (12 5) 80 2,1 10
11,92 кН ;
k ск
1,2 0,02
min
l раб
d ст
80
1.2 0,02
1,33 ; k запаса
12
эксп
Tвыд
теор
Tвыд
1; k
17
1,42 1
11,92
6. Оформление отчета по работе
7. Время, отведенное на выполнение работы - 2 акад.часа.
1. Подготовка к выполнению работы – 0,5 акад.часа.
2. Выполнение работы – 1,0 акад.час.
3. Обработка полученных результатов – 0,5 акад.часа.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое вклеенные стержни и какова особенность их работы?
29
4
1,33
2. Каковы достоинства клееметаллических соединений.
3. Как рассчитываются соединения на вклеенных стержнях?
ЛИТЕРАТУРА
1. СНиП II. 25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. Госстрой России.– М.: ФГУП, 2004. - 30с.
2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. - 36с.
3. Кочетов В.Т. и др. Сопротивление материалов: учеб. пособие для вузов.
- СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 544с.
4. Арленинов Д.К. и др. Конструкции из дерева и пластмасс: учебник для
технических вузов. - М.: Изд-во "АСВ", 2002. - 280с.
5. Калугин А.В. Деревянные конструкции: учеб. пособие. - М.: Изд-во
"АСВ", 2003. - 244 с.
6. Зубарев Г.Н. и др. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. пособие
для вузов. -М.: ИЦ "Академия", 2004. - 304с.
30
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................................................
2
Общие указания.....................................................................................................
2
Техника безопасности при выполнении лабораторных работ..........................
3
Лабораторная работа 1. Определение механических свойств древесины.......
4
Лабораторная работа 2. Испытание до разрушения двухсрезного
соединения на гвоздях........................................................................................... 11
Лабораторная работа 3. Определение прочности клеевого соединения..........
16
Лабораторная работа 4.Механические испытания деревянных балок цельного и составного сечения....................................................................................
19
Лабораторная работа 5.Механическое испытание соединения деревянных
элементов с вклеенными стальными стержнями................................................ 24
Литература.............................................................................................................. 29
31
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС
Методические указания
к лабораторным работам по курсу
«Конструкции из дерева и пластмасс»
для студентов направления 270800.62
всех форм обучения
Составили: Мордовин Геннадий Михайлович
Андреева Наталья Викторовна
Рецензент: С.А.Ращепкина
Редактор
Подписано в печать
Бумага тип
Тираж .
Л.В.Максимова
Усл. печ. л.
Заказ
Формат 60 84 1/16
Уч. – изд. л.
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
Копипринтер БИТТиУ, 413840, г. Балаково, ул. Чапаева, 140
32