|
|
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ ВДОЛЬ ВОЛОКОН12 ДРЕВЕСИНА Методические указания к лабораторным работам по курсу «Материаловедение» для студентов по направлению 653500 «Строительство»
Электронное издание локального распространения Одобрено Редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета
Саратов – 2010
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
Составители: Мещеряков Дмитрий Васильевич, Тимохин Денис Константинович, Щукин Андрей Иванович.
Под редакциейМещерякова Д.В.
РецензентП.К. Желтов
410054, Саратов, ул. Политехническая, 77. Научно-техническая библиотека СГТУ тел. 52-63-81, 52-56-01 http://lib.sstu.ru
Регистрационный номер
© Саратовский государственный технический университет, 2006 ВВЕДЕНИЕ Древесина издавна служит важным строительным материалом, и широкое применение ее в строительстве объясняется тем, что ей присущи следующие положительные свойства: а) высокая прочность при небольшой объемной массе; б) малая теплопроводность; в) высокая морозостойкость; г) достаточная стойкость к действию многих химических реагентов; д) легкость обработки. Наряду с положительными свойствами древесина обладает многими недостатками, которые сильно ухудшают строительные свойства лесных материалов. Недостатками древесины являются: а) анизотропность, т.е. неоднородность строения; б) недостаточная твердость; в) подверженность разрушительному действию различных грибов и насекомых; г) легкая воспламеняемость; д) гигроскопичность. Для повышения строительных качеств древесины разработаны методы устранения основных недостатков: облагораживание различными техническими приемами, применение различных способов консервации дерева, применение огнезащитных красок и пр. Свойства древесины колеблются в широких пределах в зависимости от породы древесины, условий его роста и наличия пороков. Этим обусловливается особая тщательность изучения свойств древесины, влияющих на ее качество и пригодность к использованию в различных строительных конструкциях. Древесину используют в строительстве для несущих конструкций (балок, стоек, стропил и т.д.); для производства столярных изделий (полотна дверей, оконных переплетов, наличников, плинтусов и т.д.); для подсобных работ и временных строек (опалубки лесов, временных креплений, оград, сараев и т.д.). Для изготовления несущих конструкций применяют древесину хвойных пород, а для мелких деталей – дуб. Древесину лиственных пород используют для временных сооружений и подсобных работ и, наряду с хвойными породами, для изготовления некоторых столярных изделий, находящихся в помещениях с нормальными условиями эксплуатации. Изготовление деревянных конструкций путем склеивания тонких элементов водостойкими полимерными клеями уменьшают усушку, предотвращают коробление древесины.
СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ Строение древесины можно изучать невооруженным глазом или с помощью лупы (макроструктура) и при сильном увеличении (микроструктура). Макроструктуру изучают по трем разрезам (см. рис.1) ствола дерева:
Тангентальный Радиальный Рис. 1. Схема разрезов древесины
а) поперечному или торцевому, образуемому плоскостью сечения, перпендикулярной к оси ствола; б) радиальному, образуемому плоскостью сечения, проходящей по оси ствола через диаметр; в) тангентальному, образуемому плоскостью сечения, проходящей по хорде ствола; На поперечном разрезе ствола (рис. 2) видны: 1) кора, служащая для защиты ствола от неблагоприятных воздействий внешней среды. Состоит из наружной кожицы и пробкового слоя; 2) луб – тонкая внутренняя часть коры, служащая для передвижения и отложения питательных веществ; 3) камбий – тонкий слой ткани, располагающийся непосредственно за лубом, в результате жизнедеятельности, которого происходит нарастание древесины. За один вегетационный период нарастает слой, состоящий из весенней и летней древесины и называемый годичным слоем или годичным кольцом. Более толстая часть слоев в большинстве случаев характеризует весеннюю (раннюю) древесину и окрашена в более светлые тона. Узкий темный слой характерен для летней (поздней) древесины; 4) древесина – толстый слой, находящийся за камбием, наружную часть которого составляет заболонь (или оболонь), а внутреннюю – ядро, имеющее темную окраску. Ядро, окраска которого не отличается от окраски заболони, носит название спелой древесины; 5) сердцевина – древесина, появившаяся в раннем возрасте и расположенная в центральной части ствола (сердцевинная трубка); 6) Сердцевинные лучи – сосудисто-волокнистые ткани, служащие для проведения питательных веществ в поперечном направлении, от коры к сердцевине. У хвойных пород сердцевинные лучи видны менее отчетливо, чем у лиственных.
Рис 2. Строение древесины 1 – кора, 2 – луб, 3 – камбий, 4 – древесина, 5 – сердцевина, 6 – сердцевинные лучи.
Все древесные породы делятся на ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, сосна, кедр, ясень, лиственница и др.); заболонные, не имеющие ядра (береза, ольха, липа, клен и др.); спелодревесные, имеющие спелую древесину и заболонь (ель, пихта, бук, осина и др.). Микроструктура изучается с помощью микроскопа. Это позволяет выявить различия в строении древесины, обусловленные характером расположения сосудов, предназначенных для движения влаги вдоль ствола. По этому признаку древесина лиственных пород может иметь структуру: а) кольцесосудистую, когда крупные сосуды собраны в весенней части годичного слоя в виде кольца, а сосуды, находящиеся в летней части этого слоя, и более мелкие равномерно распределены. Сосуды хорошо видны на поперечном разрезе ствола; б) рассеяннососудистую, когда нет четкого различия между весенней и летней частями годового слоя. Узкая полоска толстостенных клеток отделяет один годовой слой от другого. Сосуды мелкие, бессистемно рассеяны по всей ширине слоя. Отличительным признаком хвойных пород является наличие в древесине смоляных ходов, располагающихся преимущественно в летней части годичного слоя. Смоляные ходы хорошо видны на продольном разрезе в виде темных штрихов в зоне летней древесины годичного слоя. На поперечном разрезе смоляные ходы обнаруживаются только при значительном увеличении в виде светлых точек.
Лабораторная работа №1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ГОДИЧНЫХ СЛОЕВ В 1 см И СОДЕРЖАНИЕ ПОЗДНЕЙ ДРЕВЕСИНЫ В ГОДИЧНОМ СЛОЕ Цель работы:изучить метод определения макроструктуры древесины по числу годовых слоев в 1 см и проценту поздней древесины; установить, как эти величины влияют на свойства материала. Основные понятия: число годовых слоев в 1 см по радиальному направлению влияет на физико-механические свойства древесины. Для каждой древесной породы существует наибольшее и наименьшее число годовых слоев в 1 см; увеличение или уменьшение этого числа приводит к изменению физико-механических свойств древесины. Так для высококачественной древесины сосны число годовых слоев в 1 см должно быть не менее 3 и не более 25, для древесины ели - не менее 3 и не более 20, для древесины дуба – не менее 2 и не более 12. Чем более развита поздняя часть годовых слоев, тем выше физико-механические показатели свойств древесины. Зная процент поздней древесины, можно ориентировочно судить о свойствах материала в целом. У различных пород процент поздней древесины различен: у дуба, например, - 65, сосны – 26 и т.д. Основываясь на этом можно по формулам вычислить предел прочности при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе.
Техника и методика эксперимента Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы основанием 20х20 мм и длиной вдоль волокон от 10 до 20 мм. Допускается производить испытание на образцах, предназначенных для других видов испытаний, при наличии торцевой поверхности размером не менее 20 мм в радиальном направлении.
Порядок выполнения работы 1. На торцевой поверхности по радиальному направлению отмечают границы крайних целых годичных слоев на участке, равном примерно 20 мм. 2. Подсчитывают число слоев N. 3. Расстояние ℓ между отметками измеряют с точностью до 0,5 мм. 4. В каждом годичном слое между отметками измеряют ширину поздней зоны δ с точностью до 0,1 мм. Число годичных слоев n в 1 см вычисляют с точностью до 0,5 по формуле
где N – общее число годичных слоев; ℓ – протяжение годичных слоев по радиальному направлению, см. Содержание поздней древесины m в процентах вычисляют с точностью до 1% по формуле.
где ∑δ – общая ширина поздней древесины, см. Зависимость предела прочностей на сжатие от процента содержания поздней древесины выражается следующим образом: для сосны для дуба
Вопросы для самопроверки
1. Как определить число годичных слоев в древесине? 2. Как определить содержание поздней древесины? 3. Напишите формулы зависимостей прочности от процента поздней древесины.
Литература: 1. ГОСТ 16483.18-72. Древесина.Определение числа годичных слоев в 1 см и содержание поздней древесины в годичном слое.
Лабораторная работа № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ Цель работы:изучить весовой метод определения влажности при физико-механических испытаниях древесины согласно ГОСТ 16483.7-71. Основные понятия:влажность древесины оказывает большое влияние на свойства древесины. Она обусловливает прочность, объемную массу и другие свойства. В растущем дереве различают влагу: а) свободную, которая заполняет полости клеток и межклеточные пространства; б) гигроскопическую, находящуюся в стенках клеток и сосудов в виде ультрамикроскопических тонких слоев. Предельное содержание гигроскопической влаги колеблется в пределах 25-35% (в среднем – 30%). В процессе высыхания древесины вначале испаряется свободная влага, а затем медленно удаляется гигроскопическая. Состояние древесины, при котором стенки клеток еще насыщены водой, а свободная вода уже удалена, называется точкой насыщения волокон. Удаление воды ниже точки насыщения волокон связано с изменением физико-механических свойств древесины. По степени влажности различают древесину мокрую (влажность выше, чем у свежесрубленной древесины); свежесрубленную (влажность 35% и выше); воздушно-сухую (влажность 15-20%) и комнатно-сухую (влажность 8-13%). Условно стандартная влажность древесины принята равной 12%; показатели, полученные при некоторых испытаниях древесины, должны быть приведены к стандартной влажности.
Техника и методика эксперимента
Для определения влажности древесины применяется следующая аппаратура: - весы аналитические с разновесами; - сушильный шкаф с термометром на 120-150ºС; - эксикаторы и бюксы с притертыми крышками.
Определение влажности производят на образцах размером 20х20х30 мм. Образец очищают от пыли и опилок. Влажность определения с округлением до 1%.
Порядок выполнения работы
Задание 1. Метод определения влажности древесины для приведения показателей испытания к показателям при стандартной влажности. 1. Взвешивают бюксу. 2. Образец помещают в бюксу и взвешивают. 3. Бюксу помещают с образцом в сушильный шкаф с температурой 100±5ºС. 4. Через 6-10 часов производят первое контрольное взвешивание бюксы с образцом. 5. Если при последующих взвешиваниях масса не изменяется, высушивание считается законченным. 6. Бюксу с образцом охлаждают в эксикаторе с безводным хлористым кальцием. 7. Взвешивают бюксу с пробой. Влажность образца вычисляют по формуле:
где m – масса бюксы, г;
Задание 2. Метод определения влажности древесины 1. Образцы взвешивают. 2. Помещают в сушильный шкаф с температурой 103±2ºС. 3. первое взвешивание производят через 6-10 часов. 4. Высушивание считается законченным, если разность между результатами двух последних взвешиваний будет не более 0,02 г. 5. Взвешивают охлажденные образцы. Влажность образцов w определяют в процентах по формуле
где m – масса образцов до высушивания, г;
Вопросы для самопроверки 1. Как определить влажность древесины? 2. Влияет ли свободная влага на свойства древесины? 3. Как влияет гигроскопическая влага на свойства древесины?
Литература: 1. ГОСТ 16483.7-71 (СТ СЭВ 387-76). Древесина. Методы определения влажности. 2. Строительные материалы./Под ред. А.Г.Горчакова. М.: Высшая школа, 1982.
Лабораторная работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ
Цель работы:изучить стереометрический метод определения плотности древесины по ГОСТ 16483.1-73 (Сб. СЭВ 383-76), научиться определять плотность древесины при данной влажности, при влажности 12%. Основные понятия:плотность древесины зависит от породы и влажности. Измеряют ее в кг/м³. Древесина может быть очень легкой ρ = 450 кг/м³ (кедр, пихта), легкой ρ = 460-600 кг/м³ (сосна, ель, осина), со средней объемной массой ρ = 610-750 кг/м³ (лиственница, дуб, береза), тяжелой ρ = 760-900 кг/м³ (граб, железное дерево) и очень тяжелой ρ >910кг/м³ (самшит, кизил). С увеличением влажности плотность древесины возрастает. Поэтому принято характеризовать древесину по плотности при стандартной 12% влажности.
Техника и методика эксперимента Образцы, предварительно подсушенные в течение 3-4 часов при температуре 50-60ºС высушивают до постоянной массы в соответствии с ГОСТ 16483.7-71. Взвешивание производят с погрешностью не более 0,001 г. Вычисление производят с округлением до 5 кг/м³.
Порядок выполнения работы Задание 1. Определение плотности в абсолютно сухом состоянии. 1. Образцы взвешивают на аналитических весах. 2. Измеряют размеры Плотность в абсолютно сухом состоянии
где
Задание 2. Определение плотности с влажностью, равной или больше предела гигроскопичности 1. Измеряют размеры 2. Взвешивают влажный образец. Плотность при влажности w в момент испытания
где Плотность пересчитывается на влажность 12%
где
Условную плотность
где
Коэффициент пересчета
для остальных пород
где W – влажность образцов, %. Вычисление производят с округлением до 5 кг/м³.
Вопросы для самопроверки 1. Как изменяется плотность с изменением влажности древесины? 2. Как определить плотность древесины а) при заданной влажности; б) при стандартной влажности?
Литература: 1. ГОСТ 16483.1-73 (Ст СЭВ 383-76). Древесина. Метод определения плотности. 2. Строительные материалы./Под ред. А.Г.Горчакова. М.: Высшая школа, 1932.
Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСУШКИ Цель работы: изучить метод определения усушки древесины линейной и объемной по отношению к сырому состоянию согласно ГОСТ 16483.37-80 и ГОСТ 16483.38-80. Основные понятия:при высыхания древесины линейные размеры ее уменьшаются – происходит усушка, а при увлажнении – увеличивается – происходит разбухание. В разных направлениях величина усушки и разбухания древесины различна. Вдоль волокна она в среднем составляет 0,1%, в радиальном направлении 3-5%, в тангентальном 6-10%.
Техника и методика эксперимента
Усушка и разбухание древесины вызывает коробление лесных материалов. Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделии используют древесину с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации. Например, столярных изделий влажность не должна превышать 8-10%, а для наружных конструкций 15-18%. Величину линейной и объемной усушки определяют одновременно на одном и том же образце. Образцы должны иметь форму прямоугольной призмы с основанием 20х20 мм и высотой вдоль волокон до 30 мм. Влажность образцов должна быть выше предела насыщения клеточных стенок (предел гигроскопичности). При меньшей влажности образцы вымачивают в дистиллированной воде при температуре 20±5ºС до прекращения изменения размеров. Результат округляют до 0,1%.
Порядок выполнения работы
Задание 1. Линейная усушка 1. Измеряют размеры поперечного сечения 2. Образцы высушивают до постоянных размеров при температуре 103±2ºС. 3. Охлаждают образцы в эксикаторе. 4. Измеряют размеры Полную линейную усушку для радиального направления для тангентального направления: где
Коэффициент линейной усушки для радиального направления для тангентального направления Результат округляют до 0,01% на 1% влажности.
Задание 2. Объемная усушка Испытание производят по методике, описанной при определении линейной усушки, измеряя дополнительно размер образца в направлении вдоль волокон Полную объемную усушку
где
Вопросы для самопроверки
1. Что такое усушка (разбухание) древесины? 2. Почему усушка древесины в разных направлениях различна? 3. Содержание какой влаги влияет на усушку древесины?
Литература: 1. ГОСТ 16483.38-80 (Ст СЭВ 1140-78). Древесина. Метод определения объемной усушки. 2. ГОСТ 16483.37-80 (Ст 1139-78). Методы определения радиальной и тангентальной усушки.
Определение механических свойств древесины
Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться действию внешних механических сил. Так как древесина имеет неодинаковые свойства в различных направлениях, прочность ее зависит от направления, в котором приложена сила. На механическую прочность древесины большое влияние оказывает влажность, поэтому после испытания определяют влажность образца. Для сравнения полученных данных результаты испытания приводят к стандартной 12% влажности. Для статической обработки опытных данных должны быть вычислены: среднее арифметическое по формуле
средняя квадратическая ошибка по формуле средняя ошибка среднего арифметического по формуле коэффициент вариации в процентах по формуле показатель прочности испытания в процентах для доверительной вероятности 0,95 по формуле
где V – величина отдельного наблюдения; n – количество наблюдений; x – разность величины отдельного наблюдения и среднего арифметического.
Лабораторная работа № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ ВДОЛЬ ВОЛОКОН Цель работы: изучить метод определения предела прочности при сжатии древесины вдоль волокон по ГОСТ 16483.10-73 (Ст СЭВ 816-77). Основные понятия:прочность древесины при сжатии вдоль волокон довольно высока и колеблется в пределах 30-100 МПа.
Техника и методика эксперимента Для испытания древесины на сжатие применяют испытательную машину, позволяющую осуществить сжимающее усилие. Скорость нагружения должна быть такой, чтобы образец разрушился через 1,0±0,5 мин от начала нагружения. При использование машины с электромеханическим приводом допускается производить нагружение образца равномерно со скоростью 25000±5000 Н/мин или производить испытание при скорости перемещения нагружения головки испытательной машины 4 мм/мин при условии достижения предела прочности при сжатии вдоль волокон в указанный интервал времени. Определение производится на образцах в форме прямоугольной призмы с основанием 20х20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм. Все поверхности должны быть гладко остроганы. Перед испытанием измеряют поперечные сечения образца (размеры a и в ) по середине высот образца. Максимальную нагрузку Р определяют с погрешностью не более 1%.
Порядок выполнения работы 1. Образец помещают в приспособление для испытания на сжатие так, чтобы разрушающее усилие было направлено вдоль волокон. 2. Образец нагружают равномерно с постоянной скоростью нагружения. 3. Определяют максимальную нагрузку Р. 4. После испытаний определяют влажность образцов в соответствии с требованиями ГОСТа. Предел прочности
где a и в – размеры поперечного сечения, мм. Предел прочности ( для образцов с влажностью, меньшей предела гигроскопичности
где α – поправочный коэффициент, равный 0,04 на 1% влажности;
Предел прочности
где
Вопросы для самопроверки 1. Что влияет на прочность древесины? 2. Как определить прочность древесины на сжатие вдоль волокон?
Литература ГОСТ 16483.1-73 (Ст СЭВ 816-77). Древесина. Методы определения предела прочности при сжатии вдоль волокон.
Лабораторная работа № 6 
12 Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
=6,0·m+30 МПа;
– масса бюксы с пробой до высушивания, г;
– масса бюксы с пробой после высушивания, г.
– масса образца после высушивания, г.
и 
поперечного сечения и длину 
с погрешностью не более 0,1 мм по осям симметрии образцов. 
кг/м³ вычисляют по формуле
– размеры поперечного сечения образца, м;
поперечного сечения и длину 
по осям симметрии влажного образца.
вычисляют в кг/м³ по формуле
– масса образца при влажности W, кг;
– коэффициент пересчета, определяем по таблице
в кг/м³ вычисляют по формуле:
– размеры поперечного сечения образца при влажности, равной и больше предела гигроскопичности, м;
– длина образца при влажности, равной и больше предела гигроскопичности, м.
в радиальном направлении и 
в тангентальном направлении с точностью до 0,01 мм по серединам радиальных и тангентальных поверхностей.
и 
соответственно в радиальном и тангентальном направлениях.
в процентах вычисляют по формулам: 
– размеры образца при влажности, равной и выше предела насыщения клеточных стенок соответственно в радиальном и тангентальном направлениях, мм;
– размеры образца в абсолютно сухом состоянии соответственно в радиальном и тангентальном направлениях, мм.
в процентах на 1% влажности вычисляют по формуле:
.
в процентах вычисляют по формуле:
размеры образца при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок в соответствующих направлениях;
размеры образца в абсолютно сухом состоянии в соответствующих направлениях.
образца с влажностью w в момент испытания вычисляют с точностью 0,5 МПа
– максимальная нагрузка, Н;
[1+α(W-12)]