Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
ИСПЫТАНИЕ КЛЕЕНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ УЛЬТРАЗВУКОМ (А.А. Колесникова, А.А. Орлова, специалитет (ТД-51))
Клееные деревянные конструкции (КДК) в виде арок, балок, ферм пролетом до 60 м стали реальной альтернативой стали и железобетону благодаря высокой относительной прочности при небольшом весе (в пять раз легче железобетонных) [1]Производство КДК весьма специфично. При проектировании конструкций и изготовлении необходимо учитывать качественные характеристики используемой древесины, которые заложены при расчетах силовых нагрузок для будущей эксплуатации [2].
Для КДК используют высококачественную древесину хвойных пород, требования к которой по прочностным характеристикам очень высоки. Предел прочности на сжатие вдоль волокон для чистых образцов равен 44 МПа. Средняя ширина годичных слоев не более 5 мм [5].
Качество готовой продукции зависит от качества используемого сырья. Контроль качества древесины должен проходить от начала технологического процесса до его полного завершения.
На производстве оценка качества исходного сырья сводится к сортировке пиломатериала по сортам по наличию пороков и измерению влажности. Прочность и размер годичных слоев древесины не определяются, так как существующая методика испытания физико-механических показателей древесины проводится на стандартных образцах, что весьма трудоемко.
Показатели свойства древесины можно определить на образцах-кернах, используя неразрушающий ультразвуковой метод испытаний [3].
Цель - анализ физико-механических свойств древесины для клееных деревянных конструкций (КДК) с помощью ультразвука.
Решаемые задачи: 1)определение акустических показателей образцов КДК и кернов; 2)определение прочности на сжатие вдоль волокон; 3) определение зависимостей показателей
Техника эксперимента. Для испытания были выпилены выборочно 11 образцов древесины из поперечного сечения КДК из сосны, каждая из которых имеет 3...6 делянок, склеенных по толщине.
Всего 44 делянок. У каждой делянки в продольном направлении, а также в радиальном направлении одновременно через все делянки измеряется ультразвуковым прибором УК-14П время прохождения ультразвуковых волн (УЗВ) с точностью 0,1 мкс. Ширина годичного слоя определялась микроскопом МПБ-2 в мм.
Из каждой делянки извлечены керны [6] диаметром 30 мм длиной
53 мм. Соотношение длины к площади поперечного сечения керна равнозначно к соотношению для стандартных образцов и равно 1,76.
Размеры испытываемых образцов измеряются штангенциркулем с точностью до 0,05 мм, масса - с точностью 0, 00005г.
У кернов измеряется время прохождения УЗВ 
, мкс; определяются плотность ρ, кг/м3; скорость звука v, м/с; акустическая константа ] K, м4/(кг с); акустическое сопротивление R, 106 кг/(м2 с); прочность на сжатие 
, МПа в соответствии с ГОСТ 16483.10-73.
Интерпретация результатов. На основании полученных в ходе эксперимента данных с помощью программы по программе Curve Expert-1.38 [4].определили следующие зависимости:
Зависимости прочности от плотности и от акустической константы вдоль волокон кернов (рис. 1) записываются уравнениями:
, (1)
(2)
Из графиков видно, что с увеличением плотности древесины и акустической константы кернов увеличивается прочность, достигая некоторого оптимума.
Рис. 1. График зависимости прочности от плотности (а) и прочности от акустической константы кернов (б).( S - сумма квадратов отклонений, r - коэффициент корреляции)
Изменение прочности от акустического сопротивления образцов в продольном направлении для делянок и для кернов (рис. 2) увеличиваются по формуле
, (3)
где a и b- коэффициенты формулы: 
и 
соответственно для делянок и для кернов, а 
и 
.
Рис. 2. График зависимости прочности от акустического сопротивления образцов
в продольном направлении для делянок (а) и для кернов (б)
Зависимости акустической константы от плотности, как в радиальном, так и в продольном направлении характеризуются общим уравнением (4), график зависимости которых приведен на рисунке 3.
, (4)
В таблице 1 приведены коэффициенты уравнения для образцов в продольном и радиальном направлениях.
Таблица 1
Параметры (4) для образцов продольном и радиальном направлении волокон
|
Направление волокон |
Параметры модели |
|||
|
a |
b |
c |
d |
|
|
Продольное |
0,0748 |
1,1785 |
0,0047 |
1 |
|
Радиальное |
1,1724 |
0,4910 |
0,0178 |
0,7566 |
Рис. 3. График зависимости акустической константы от плотности
в радиальном направлении(а) и продольном направлении(б)
Зависимость прочности от времени УЗВ в радиальном направлении показан на рисунке 4.
При ультразвуковых испытаниях в радиальном направлении сигнал проходит через все делянки, древесина каждой из которых имеет свои прочностные показатели, поэтому наблюдается их существенный разброс. Корреляционная связь слабая.
Рис. 4. График зависимости прочности от времени УЗВ в радиальном направлении
Результаты статистической обработки испытуемых кернов на сжатие вдоль волокон приведены в виде графика на рис. 5. Большинство образцов соответствуют по прочности требованиям СНиП II-25-80.
Рис. 5. Прочность кернов на сжатие вдоль волокон
Выводы. 1. У выпиленных образцов поперечного сечения КДК необходимо испытывать каждую делянку УЗВ методом в продольном направлении. 2. Для определения прочности на сжатие вместо стандартных образцов можно использовать менее трудоемкие в изготовлении керны. 3. По измерению акустических показателей можно оценить прочность древесины КДК. 4. С уменьшением акустической константы и увеличением плотности прочность возрастает, достигая оптимального значения, в пределах 51-58 МПа. С увеличением акустического сопротивления прочность увеличивается. 5.С уменьшением плотности акустическая константа увеличивается, как в продольном, так и для радиального направления. 6. По закономерностям изменения акустических показателей можно определить прочность древесины.
Литература
- Глебов, Ю. Клееные деревянные конструкции / Ю. Лукичев // Дерево. RU.- 2004.-2004.-№11.-С.110 - 112.
- Ковальчук, Л. М. Современное состояние и рациональные пути развития подотрасли клееных деревянных конструкций / Л. М. Ковальчук // Деревообраб. пром-сть. - 2009. - № 2. - С.8 - 10.
- Колесникова А.А. Исследование свойств древесины по кернам: Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. - 178 с.
- Мазуркин П.М. Дендрометрия. Статистическое древоведение: Учебное пособие. Часть 2. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. -205 с.
- СНиП II-25-80. Деревянные конструкции / Госстрой СССР. М.: Стройздат.-1982.- 66 с.
- Мазуркин П.М., Колесникова А.А., Болотов В.В. Способ испытания образцов древесины / Патент на изобретение №2251104.- Российское агенство по патентам и товарным знакам. - М.: 2003. - 8 с