Рекомендации по оценке прочности пилома­териалов (стр. 1 )

ГЛАВА VIII. Рекомендации по оценке прочности пилома­териалов

Сегодня в системе производства и потребления конструкционных пиломатериалов действуют несколько государственных стандартов и другой нормативной документа­ции [50-54]. Выше, в главах 1-4 были показаны недостатки существующих методов ис­пытаний. Наиболее существенными недостатками нынешних стандартов являются:

1. Различные схемы нагружения при определении модуля упругости и предела проч­ности пиломатериалов и заготовок.

2. Использование только одного оценочного показателя - модуля упругости при из­гибе для прогнозирования прочности пиломатериалов.

3. Прогнозирование показателей прочности пиломатериалов и заготовок по уравне­ниям связи с низкой доверительной вероятностью.

4. Неправильное определение нижней доверительной границы по известному уравнению связи между двумя показателями (вместо понижающего коэффициента исполь­зуется вычитание постоянной величины при всех уровнях замеряемого параметра).

5. Рекомендуемые уравнения связи даны для влажности древесины 18%, а норма­тивные показатели - для влажности 12%.

С учетом новых данных предлагаются новые методы испытания и оценки прочно­сти пиломатериалов. При этом мы исходим из того, что практически имеют место сле­дующие задачи:

А. Определение одного или нескольких оценочных показателей пиломатериалов и заготовок (модуля упругости при изгибе, плотности или твердости чистой древесины) с одновременным определением их предела прочности при изгибе и других видах нагру­жения в лабораторных условиях с целью установления взаимосвязи между показателя­ми, например, для данной партии пиломатериалов.

Б. Определение оценочных показателей пиломатериалов и заготовок в производст­венных условиях с целью прогнозирования их прочности и сортирования на заданное число групп (сортов) по известному уравнению связи.

С учетом этого предложены три метода испытаний и оценки прочности. Один каса­ется процедуры определения взаимосвязи двух показателей пиломатериалов и загото­вок с целью нахождения уравнения связи между ними, то есть касается того случая, когда предлагаемое базовое уравнение связи не вызывает доверия у потребителя про­дукции. Второй метод касается процедуры оценки прочности пиломатериалов и заготовок по найденному нами базовому уравнению связи. Третий метод касается оценки прочности продукции по двум параметрам - плотности древесины и модулю упругости при изгибе

Базовое уравнение, приведенное к влажности 12% и сечению доски b х h = 100 х 50 мм при изгибе по пласти на пролете 900 мм и при доверительной вероятности 0,95 име­ет вид

σизг = (6,1Е + 6,0) * 0,8 МПа

При испытании при другой влажности древесины и для других сечений пиломате­риалов необходимо использовать поправочные коэффициенты, приведенные выше.

Для повышения точности оценки прочности пиломатериалов можно использовать оценку по двум параметрам, например, дополнительно по плотности или твердости чистой древесины. Уравнения связи для прочности при изгибе имеют вид

σизг= (2,71E + 0,102ρбаз - 10,0) * 0,845

σизг = (9,77Е + 3,25Тв + 6,05) * 0,856.

8.1. Пиломатериалы и заготовки. Метод определения взаи­мосвязи между модулем упругости и пределом прочности при изгибе

Метод распространяется на обрезные пиломатериалы и заготовки всех пород и сече­ний и устанавливает порядок определения взаимосвязи между модулем упругости и пределом прочности при изгибе с целью расчета уравнения связи между двумя показа­телями и прогнозирования прочности конструкционных пиломатериалов и заготовок. Сущность метода заключается в косвенном определении прогиба образцов по времени их нагружения и измерении двух показателей за одну установку образца.

8.1.1. Аппаратура и приборы

• Приспособление для испытания на изгиб согласно рис. 1.

• Испытательная машина или другое устройство с силоизмерителем известной жест­кости (динамометр, датчик давления и т. п.) для определения разрушающей нагрузки с точностью не менее 1%.

• Прибор для измерения времени нагружения образца с точностью не менее 1% в за­данном интервале сил при постоянной и строго фиксированной скорости движения нагружающего элемента (активного захвата)

• Аппаратура и материалы для определения влажности древесины с точностью не менее 2% абс.

8.1.2. Подготовка к испытанию

• Для испытаний используют образцы натурных размеров длиной (20 - 22)h, где h -высота образца, выпиленные из пиломатериалов одного сечения, породы и района произрастания. За высоту принимают размер поперечного сечения в направлении приложения нагрузки. При определении минимальной прочности образцы должны иметь сортообразующий порок по середине длины образца.

• Число образцов для испытаний данной совокупности пиломатериалов должно быть не менее 50 шт.

• Образцы должны быть выдержаны в лабораторных условиях до равновесной влаж­ности 11-13%. Допускается испытание при любой другой влажности древесины, но не менее 5% и температуре не ниже 0 °С.

• Для данных размеров образца рассчитывают пределы нагружения Р1 и Р2 для опре­деления модуля упругости. Величину Р2 определяют по формуле

где b - ширина образца, мм; l - расстояние между опорами, мм; h - толщина (высота) образца, мм; [σизг] -допускаемое напряжение при изгибе, принимаемое равным 5 МПа для хвойной и мягколиственной древесины и 6,3 МПа - для твердолиственных пород. Значение P1 принимают равным 0,25Р2.

• Устанавливают скорость движения активного захвата в 10 мм/мин.

8.1.3. Проведение испытания

• Выполняют первое нагружение образца при постоянной скорости движения V на­гружающего элемента до нагрузки Р2 и разгружение до нуля. При втором нагружении измеряют с точностью до 0,1 с время t, в течение которого стрелка силоизмерителя проходит интервал от Р1 до Р2.

• Для определения предела прочности образец доводят до разрушения и фиксируют разрушающую нагрузку Ртах с точностью цены деления шкалы силоизмерителя.

8.1.4. Обработка результатов

• Модуль упругости Е вычисляют с точностью до 0,01 ГПа по формуле

где Р1, Р2 - нижний и верхний пределы нагружения, Н; V - скорость движения активно­го захвата (нагружающего элемента), мм/с; t - время нагружения, с, в заданном интерва­ле сил; k - жесткость силоизмерителя, мм/Н; l - расстояние между опорами, мм; b - ширина образца, мм; h - толщина образца, мм;

• Предел прочности при изгибе вычисляют с точностью до 1 МПа по формуле

где Ртах - разрушающая нагрузка, Н.

• Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу по форме, указанной ниже.

Порода древесины_________

Влажность древесины ____________

Испытательная машина марки _______

Жесткость силоизмерителя, мм/Н

______________

Расстояние между опорами, мм ____________

Скорость деформирования, мм/с ____________

Используемая шкала ______

№ п/п	Размеры, мм	Р1	P2	t	Pmax	Е	σизг	Примечание
b	h	Н	Н	с	Н	ГПа	МПа
1.
2.

n

При необходимости пересчитывают результаты испытаний на влажность древесины 12% и температуру 20 °С, пользуясь таблицами пересчетных коэффициентов 1, 2. Пересчет выполняют по формуле:

где A1220 - показатель при влажности 12% и температуре 20 °С, AwT - показатель при влажности w и температуре T в момент испытаний. K1220 - пересчетный показатель для данного показателя при влажности 12% и температуре 20 °С, КwT - пересчетный коэф­фициент для данного показателя при влажности w и температуре Т в момент испыта­ний.

• Выполняют статистическую обработку полученных результатов с определением среднего арифметического и вариационного коэффициента для каждого статистиче­ского ряда.

• Находят уравнение связи модуля упругости с требуемым пределом прочности типа σ = аЕ + b, используя стандартную процедуру, например, с помощью электронных таблиц Ехсеll или подобных. Помимо линейных уравнений связи следует прове­рить применимость нелинейных уравнений связи, особенно уравнений степенного вида σ = аЕb . Критерием для выбора должна служить максимальная величина дос­товерности апроксимации (R2).

• Рассчитывают относительную ошибку уравнения связи по формуле

,

где Vу - вариационный коэффициент показателя прочности, %.

• Определяют нижнюю границу доверительного интервала показателя прочности

где Е - текущее значение модуля упругости в ГПа, γ - коэффициент, зависящий от за­данной доверительной вероятности и равный 1,64 при вероятности 0,95.

• Результаты испытаний представляют графически в виде роя точек в координатах "модуль упругости, ГПа - предел прочности, МПа" и линий апроксимации взаимо­связи с указанием нижней доверительной границы.

Табл. 8.1.Пересчетные коэффициенты на влажность и температуру для модуля упруго­сти древесины при изгибе.

Табл.8.2. Пересчетные коэффициенты на влажность и температуру для предела прочно­сти древесины при изгибе

W, %	Пересчетный коэффициент при температуре древесины Т, град
0	5	10	15	20 '	25	30	35	40
0	1	0,985	0,97	0,955	0.94	0.925	0,91	0,895	0.88
5	0,952	0,937	0,923	0,909	0,895	0,880	0,866	0,852	0,838
6	0,932	0,918	0,904	0,890	0,876	0,862	0,848	0.834	0.820
7	0,909	0,896	0,882	0,868	0,855	0,841	0,828	0,814	0,800
8	0,885	0,872	0,858	0,845	0,832	0,818	0,805	0,792	0,779
9	0,858	0,846	0,833	0,820	0,807	0,794	0,781	0,768	0,755
10	0,831	0,818	0,806	0,794	0,781	0,769	0,756	0.744	0,731
11	0,803	0,791	0.779	0,767	0,754	0,742	0,730	0,718	0,706
12	0,774	0,762	0.751	0,739	0.728	0,716	0,704	0,693	0.681
13	0,746	0,734	0.723	0.712	0,701	0,690	0,679	0,667	0,656
14	0,718	0,707	0.696	0.685	0,675	0,664	0,653	0,642	0,632
15	0,691	0,680	0,670	0.660	0,649	0,639	0,629	0,618	0,608
16	0,665	0.655	0.645	0.635	0,625	0.615	0,605	0,595	0,585
17	0,640	0,631	0.621	0,611	0,602	0,592	0,583	0,573	0,563
18	0,617	0.608	0.599	0.590	0,580	0,571	0,562	0.552	0,543
19	0.596	0.587	0.578	0,569	0,560	0,551	0,542	0,533	0,525
20	0.577	0.568	0.559	0.551	0,542	0,533	0,525	0,516	0,507
21	0,559	0.550	0.542	0,534	0,525	0,517	0,509	0,500	0,492
22	0.543	0,535	0.527	0,519	0,510	0,502	0,494	0,486	0,478
23	0,529	0.521	0,513	0,505	0,497	0,489	0,481	0,473	0,465
24	0.516	0,509	0,501	0,493	0,485	0,478	0.470	0,462	0.454
25	0.505	0.498	0,490	0,483	0,475	0,467	0,460	0,452	0,445
26	0,496	0,488	0,481	0,474	0,466	0,459	0,451	0,444	0,436
27	0,488	0.480	0,473	0,466	0,459	0,451	0,444	0,437	0,429
28	0.481	0,474	0,466	0,459	0,452	0.445	0.438	0,430	0,423
29	0,475	0,468	0,461	0,454	0,447	0,439	0,432	0,425	0,418
30	0.470	0,463	0.456	0,449	0,442	0,435	0,428	0.421	0,414
35	0.456	0,449	0,442	0,436	0,429	0.422	0,415	0,408	0,401
40	0,452	0,445	0,438	0,431	0,424	0,418	0.411	0,404	0,397

8.2. Пиломатериалы и заготовки. Метод оценки прочности по модулю упругости при изгибе

Настоящий метод распространяется на обрезные пиломатериалы и заготовки лист­венных и хвойных пород и устанавливает процедуру оценки их прочности при изгибе и продольном сжатии по модулю упругости при изгибе. Сущность метода заключается в расчете среднего и нормативного показателей прочности по замеренному показателю модуля упругости с использованием известных уравнений связи между двумя парамет­рами.