ГЛАВА VI. Прочность и деформативность клееной древесины

ГЛАВА VI. Прочность и деформативность клееной древесины
Важность данной темы очевидна. Все самые ценные свойства древесины
как строительного материала наилучшим образом реализуются в клееных
деревянных конструкциях. Расчет деталей КДК - важная проблема в проектировании конструкций из дерева и пластмасс. В данной главе рассмотрены сравнительно немногие работы, выполненные автором по изучению
свойств клееной древесины. Они ставят своей целью выявить основные
отличия во взаимосвязи физико - механических показателей клееной и
цельной древесины.
6. 1. Зубчатые клеевые соединения массивной древесины
Зубчатые клеевые соединения играют важную роль в деле рационального и комплексного использования древесины, так как позволяют использовать маломерную и низкокачественную древесину для получения продукции высокого качества.
Технические требования к зубчатым соединениям указаны в ГОСТ
19414 - 90. Еще в 50-х годах было установлено, что основным параметром
соединения является длина шипа (рис.6.1).
Рис. 6.1. Профиль зубчатого соединения для сращивания короткомерных отрезков древесины
^
При длине шипа более 50 мм, отсутствии затупления шипов и зазора в
стыке прочность соединения при изгибе и растяжении может достигать
100%. Однако на практике этот идеал оказался недостижим. Затупление
шипа (0,5 - 2,0 мм) есть неизбежное следствие конструкции фрез, формирующих шипы, а зазор в стыке необходим как гарантия плотного контакта
склеиваемых поверхностей. В результате этого поперечное сечение в месте
стыка двух заготовок оказывается ослабленным, и стопроцентная прочность оказывается невозможной даже теоретически. Например, для заготовки сечением 70 х 22 мм с затуплением шипов 2 мм фактическая площадь поперечного сечения составляет 82,8% от номинального размера.
132
Поэтому наибольшая нормативная прочность зубчатых соединений составляет 75%, а сами соединения можно приравнять по их влиянию на
прочность к сучкам.
Известные экспериментальные результаты показывают, что при надлежащей технологии склеивания пиломатериалов с зубчатыми соединениями
показывают прочность при растяжении и изгибе не ниже нормативной. В
работе [70], где испытаны соединения с длиной шипов 50, 32 и 20 мм относительная прочность клеевых соединений составила в среднем 85%, а в
работе [83] при испытании образцов с минишипами (длина 6 мм) максимальный результат составил 89%. При этом установлено, что заметное
влияние на прочность оказывает тип клея. Для термопластичного клея
ПВАд с низкой когезией прочность при изгибе составила 79%, для жесткого термореактивного карбамидного клея - 82%, а для комбинированного
клея, составленного из упомянутых компонентов (в пропорции 70:30) - 86 89%.
В наших опытах [20] использован жесткий фенолоформальдегидный
клей КБ-3, соединения с длиной шипа 50 мм и получена относительная
прочность при изгибе вертикальных шипов 80,2 % (за 100% принята прочность наиболее слабой из двух половинок образца).
Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что прочность зубчатых
соединений в значительной мере определяется конструкцией соединения,
и в меньшей мере зависит от характеристик использованного клея. Нельзя
упрощенно считать, что снижение прочности зубчатого клеевого соединения равно ослаблению поперечного сечения. Даже если будет возможным
соединение без ослабления поперечного сечения, то и оно может не дать
100% -ной прочности, так как наличие клеевых швов (обычно очень жестких) и перерезанных волокон древесины на поверхности шипов создают
концентрацию напряжений в клеевом соединении и, следовательно, оно
разрушится при нагрузке меньшей, чем для цельного образца.
Механике и методам расчета клеевых соединений древесины и других
материалов посвящено множество работ. Их обзор достаточно полно дан в
книге А. С. Фрейдина и К.Т.Вуба [110]. В нашей работе рассматривается
главным образом взаимосвязь показателей, поэтому рассмотрим коротко
известные результаты по этому вопросу.
Сращивание древесины на зубчатый шип стало весьма распространенным способом получения заготовок большой длины в производстве дета133
лей клееных деревянных конструкций и погонажных деталей. Поэтому актуальной стала задача неразрушающего контроля качества клеевых зубчатых соединений. Один из традиционных путей здесь заключается в прогнозировании прочности по модулю упругости при изгибе. В работе М.
Samson’а [136] исследована связь между пределами прочности при растяжении и модулем упругости при изгибе для 200 образцов сечением 50 х
100 мм с зубчатыми соединениями. Автор установил большую изменчивость модуля упругости по длине образца и показал, что наличие зубчатых
соединений не влияет на взаимосвязь показателей.
Известен также метод фиксированной нагрузки для контроля качества
клеевых соединений по длине на зубчатый шип. Он заключается в том, что
соединение подвергается кратковременной фиксированной нагрузке при
изгибе, которая для качественного соединения не является разрушающей.
В работе [117] показано, что нагрузка на уровне 90% от разрушающей не
вызывает повреждения образцов, имеющих прочность не ниже нормативной.
В наших опытах [20] исследована связь между модулем упругости и
пределом прочности при изгибе цельных и клееных образцов сечением 20
х 70 мм на пролете 400 мм, клей КБ-3, влажность древесины 8-10%. Зубчатые соединения имели длину шипов 50 мм, шаг 12 мм, затупление 2 мм.
Модуль упругости и предел прочности определяли за одну установку образца. Кроме абсолютных показателей рассчитывали и относительные:
2 E2
2 P2
Eотн . 
100% ;  отн . 
100%
E1  E 3
P1  P3
В этих формулах индекс (2) относится к клееному образцу, а индексы (1)
и (3) - к контрольным образцам. При расчете прочности определяли также
относительную прочность с учетом того контрольного образца, по древесине которого произошло разрушение. Всего испытано 72 образца (табл.
6.1).
Можно видеть, что корреляция между показателями клееных образцов
достаточно высока (R2 = 0,681). Однако уравнения связи для клееных и
цельных образцов различны ( рис. 6.2). Опыты показали, что модули упругости клееных и цельных образцов одинаковы, но пределы прочности клееных образцов в среднем составляют только 72,2% от прочности цельных
образцов, если расчеты вести по среднему для двух контрольных образцов,
134
и 80,2%, если прочность клееного образца относить к прочности наиболее
слабой половинки. Образцы разрушались в наиболее слабом сечении - по
кончикам шипов, и показали хрупкое разрушение.
6.1. Данные испытаний на изгиб клееных и цельных образцов
Показатели Среднее, Вариационный ко- Достоверность
МПа
эффициент, %
апроксимации, R2
11300
16,4
0,617
Е1 и Е3
84,4
19,2
σ 1 и σ3
11300
12,8
0,681
Е2
60,9
14,0
σ2
100,0
8,82
0,230
Еотн, %
72,2
15,2
σотн, %
Уравнение связи
σ = б,91Е+6,4
σ =5,28Е +0,55
-
Рис.6.2 Взаимосвязь модуля
упругости с пределом прочности при изгибе цельных (1) и
образцов, сращенных на зубчатый шип (2)
Отсюда можно заключить, что модуль упругости может служить оценочным показателем для клееных образцов, но при этом нужно иметь в
виду, что равенство модулей упругости для клееных и цельных участков
досок, сращенных по длине, не означает равенства прочности, а говорит о
том, что клеевое соединение выполнено качественно и имеет прочность,
определяемую, главным образом, конструкцией соединения.
6.2. Прочность и жесткость деталей, склеенных по толщине
Практика со всей очевидностью показывает, что клееные детали прочнее
цельных из того же материала и того же размера. Качественное объяснение
этому заключается в том, что клеевые швы останавливают развитие трещин, а само склеивание позволяет перераспределять пороки древесины и
снижать их влияние.
Рассмотрим известные экспериментальные данные по сравнению характеристик цельной и клееной древесины. В опытах Королева В,И. [71,72]
определены модуль упругости и предел прочности при изгибе образцов из
массивной древесины сечением 50 х 100 мм, а также клееные 5- и 10135
слойные образцы сечением 120 х 160 мм. Схема нагружения- 4-х точечная,
ступенчатое нагружение по 50 Н через 5 минут. В испытании фиксировалась также относительная ширина сучка в крайнем растянутом слое.
В этом эксперименте нарушен масштабный фактор, так как клееные образцы имели поперечное сечение в 3,8 раза большее, чем цельные. Однако
5-и 10-слойные образцы испытаны в одинаковых условиях. Сравнение их
показателей говорит о том, что увеличение числа клеевых швов вырастают
прочность и модуль упругости образцов, а их изменчивость (вариационный коэффициент) снижается.
В работе R. Tuchi и J. Воdig [138] исследованы теже показатели для 5-,
10-, 20- и 40-слойных образцов (по 4 штуки). Толщина слоев при постоянном сечении клееных образцов 38 х 250 мм составила соответственно 48,
24, 12 и 6 мм. Длина балок 5 м, плотность древесины 434 - 454 кг/м3, скорость испытания 12,7 мм/мин, клей резорциновый. Из-за малого числа образцов результаты испытаний не отличаются четкостью, однако замечено
повышение стабильности результатов при увеличении числа клеевых
швов. В наших опытах предпринята попытка сравнить модули упругости
отдельных слоев и клееных образцов. Цель этих опытов заключалась также в определении целесообразности подбора слоев по жесткости в производстве элементов клееных деревянных конструкций. Были заготовлены
березовые и сосновые бруски без видимых пороков древесины. Материал в
течение двух летних месяцев был выдержан в лабораторных условиях до
влажности 12-15%. После строгания размеры березовых брусков составили
45 х 45 х 1200 мм, а сосновых 12 х 45 х 1200 мм. На первом этапе были
определены модули упругости слоев до их склеивания в блоки. По отношению к березовым брускам были выполнены следующие работы
1) Найден модуль упругости брусков сечением 45 х 45 мм на пролете
20h, где h -толщина образца. Для трех березовых брусков модули упругости соответственно составили 11,2; 14,1 и 12,4 Гпа.
2) Проведен раскрой березовых брусков на три слоя толщиной по 12 мм.
3) Найдены модули упругости всех слоев на пролете 20h и подобраны 5
комплектов трехслойных образцов с таким расчетом, чтобы были представлены различные варианты взаимного расположения слоев:
a) все три слоя имеют примерно одинаковый модуль упругости при изгибе
b) наиболее жесткий слой находится в крайней зоне образца
136
c) наиболее жесткий слой находится в середине образца
d) в середине образца находится слой с малым модулем упругости (малой жесткости).
Полученные результаты приведены в табл. 6.2.
6.2. Фактические модули упругости отдельных слоев в образцах перед их склеиванием
Номер слоя
1
2
3
Модули упругости, ГПа для образцов номер
1
2
3
4
5
13,2
13,3
13,5
16,0
11,6
12,2
10,8
14,9
11,2
14,6
11,6
14,6
13,1
13,1
12,1
После того как была получена необходимая информация об отдельных
слоях, выполнили склеивание образцов. Склеивание проводили на карбамидном клее при комнатной температуре в механических струбцинах.
Нанесение клея вручную, открытая выдержка около 5 мин, время прессования 24 часа. После чистового строгания размеры поперечного сечения
образцов составили 37х37 мм.
Склеенные образцы и отдельные слои испытывали на машине Р-5. Модули упругости определяли по трехточечной схеме, при этом клееные образцы испытывали в двух плосостях – с расположением слоев перпендикулярно действию силы и вертикально, то есть вдоль действия изгибающей
силы. В дальнейшем при оценке результатов опытов второй модуль упругости Еверт принимали за 100% и находили относительный модуль упругости для данного образца
Е гор .
Eотн . 
100%
Еверт .
При этом имелось в виду, что относительный модуль упругости фактически характеризует ту выгоду (или потерю), которую дает специальный
подбор слоев по модулю упругости, так как Еверт не зависит от взаимного
расположения слоев и дает усредненный модуль упругости для слоев, составляющих образец. Результаты испытаний представлены на рис. 6.3 и в
табл. 6.3.
137
Рис.6.3. Модули упругости клееных образцов при различном расположении
слоев в клееных образцах.
6.3 Относительные модули упругости клееных образцов с горизонтальным
расположением слоев
№ образца 1а
2а
2с
За
4а
5а
Eотн., %
94,4
130,8
112,1
101,4
105,9
97.0
Результаты опытов показали, что специальный подбор слоев клееной бегали по модулю упругости может дать значительный эффект. Максимальный результат для условий нашего эксперимента составил 130,8%. Он касается образца №2а, у которого верхний слой имеет высокий модуль упругости (16 ГПа). При его расположении в нижней растянутой части образца
относительный модуль упругости составил 112,1%. Следовательно, можно
считать, что сортировка досок по их модулю упругости в производстве
многослойных деталей клееных деревянных конструкций может быть
очень эффективным средством рационального использования древесины.
Доски с наиболее высоким модулем упругости должны располагаться в
крайних зонах. При этом вполне оправданным может быть использование
досок различных пород в одной детали, а именно - лиственницы или березы в растянутой и сжатой зонах многослойной клееной детали, а сосны или
ели - в средней части детали. (Хотя разделение по породам не является
точным разделением по плотности в виду высокой изменчивости свойств
138
древесины. В нашем опыте некоторые сосновые образцы имели плотность
выше, чем некоторые березовые образцы. Поэтому мы считаем, что машинная сортировка по модулю упругости в производстве многослойных
деталей строительных конструкций является эффективным средством более полного использования физико-механических свойств древесины)
В работе W.Nozinsky [134] дано теоретическое решение для модуля
упругости клееной детали в зависимости от модуля упругости древесины
(Е1), клея (Е2), числа клеевых швов (n) и относительной толщины клеевого
шва (р) в долях от толщины склеиваемого слоя:
E  E1  ( E 2  E1 )
n [ p 3  2 p( n 2  1 )( 1  p 2 ]
[n  ( n  1 )p]3
Анализ этой формулы показывает, что при равенстве модулей упругости
древесины и клея (E1=E2) жесткость клееной детали не зависит от толщины клеевого шва и от числа швов. Если же E1>Е2, то возрастание модуля
упругости клееной детали при увеличении ее cлойности очень незначительно. Например, полагая п = 10 и р = 0,001 получим
E  E1  ( E 1  E2 )* 0 ,012
Это не противоречит известным данным. В работе [117] получено повышение модуля упругости для 10-слойной детали на 3,5% по сравнению с
5-слойной, а в работе [138] вообще не зафиксировано такого повышения. В
нашем опыте мы можем проследить, как изменяется модуль упругости
цельного образца по сравнению с клееным. Для березового образца №3 сечением 45х45 мм2 получили модуль упругости равном 12,4 Гпа. После
распиливания на три слоя получили модули упругости слоев равными 13,1;
13,1 и 12,1 Гпа. После склеивания мы имели клееный образец сечением
37х37 мм с модулем упругости при изгибе 13,1 Гпа. (Все замеры выполнены при условии l/h = Соnst = 20). Следовательно, операция склеивания повысила модуль упругости данного образца всего на 5,6%.
Таким образом, мы можем констатировать, что повышение физико - механических показателей клееных деревянных деталей происходит не за
счет деформационных и прочностных свойств клеевых швов, а за счет самой операции склеивания, которая позволяет перераспределять пороки
древесины, препятствует развитию трещин в материале и дает возможность конструировать деталь с оптимальным распределением слоев по высоте поперечного сечения. В результате всего этого клееные детали имеют
139
модули упругости близкие к модулям упругости цельной древесины, но
более высокие пределы прочности при изгибе и других видах нагружения.
Следовательно, уравнения связи для клееной и массивной древесины не
могут быть одинаковы, ибо склеивание уже не позволяет пользоваться статистической теорией масштабного фактора. (При склеивании увеличение
объёма материала может не увеличивать вероятность попадания крупного
дефекта в область разрушения образца).
Следствием операции склеивания является и снижение изменчивости
физико - механических показателей клееной древесины. Например, для таких материалов, как фанера и стружечные плиты вариационные коэффициенты пределов прочности существенно ниже, чем для пиломатериалов,
так как многослойность и значительная доля связующего сглаживают
крайние значения и усредняют показатели. Поэтому вопрос сортировки по
показателям физико - механических свойств для этих материалов не стоит
так остро, как для пиломатериалов.
Выводы по главе 6.
1. Выполнены эксперименты по изучению взаимосвязи модуля упругости с
пределом прочности для цельных образцов и образцов с зубчатыми клеевыми соединениями. Показано, что клееные образцы имеют в среднем такой же модуль упругости, как и цельные, но меньшую прочность. Снижение прочности примерно соответствует степени ослабления поперечного
сечения в зоне зубчатых шипов.
2. Экспериментально показана эффективность специального подбора слоев
по их модулю упругости при конструировании деталей, склеенных по
толщине. Экономия материала в этом случае может составит до 20-30%.
3. Операция склеивания увеличивает модуль упругости образца несущественно, но делает материал более однородным и более прочным.)
140