УДК 674.5 : 634.0.812 Савельев В.В. (ТГСХА, г. Тюмень)

Левинский Ю.Б. (УГЛТУ, г. Екатеринбург)

Экспериментальное исследование состояния клееных армированных балок с предварительным гнутьем древесины

Исследователями отмечается, что качество профилирования древесины методом гнутья в основном зависит от сечения заготовок, пластификации материала, величины и направления прилагаемой нагрузки. При этом оценкой получаемого профиля заготовок является относительная величина стрелы их прогиба (показатель сохраненной изогнутости) [1, 2].

Экспериментальные исследования по изучению процесса пластификации древесины сосны, березы и осины проводились на образцах с радиальным направлением волокон и при различных условиях тепловой обработки деталей. Подтверждено, что наибольшая податливость древесины гнутью достигается при ее гидротермической обработке и кратковременной выдержки в высокочастотных полях (СВЧ и ТВЧ). Последующее за этой процедурой гнутье показало, что предельная величина остаточного прогиба (стрела прогиба f_к) предварительно пластифицированных заготовок существенно изменяется в зависимости от породы древесины и вида их обработки (табл.1).

Таблица 1

Характеристики пластификации и гнутья древесины

Порода древесины	Продолжительность тепловой обработки древесины, мин.
	СВЧ и ТВЧ				кипячение в воде (t = +92^0С)
	5	8	11	14	15	30	45	60
	Величина стрелы прогиба конечная (fк), мм
Сосна	2,5	3,6	4,8	5,7	3,0	4,2	6,7	7,5
Береза	2,8	3,9	4,9	6,1	3,2	5,7	7,1	8,0
Осина	2,4	3,4	4,5	5,6	2,9	4.6	6,4	7,3

Примечание: 1. Размеры экспериментальных образцов радиальной распиловки

20х50х250мм.

Отмечается также, что динамика нарастания пластичности древесины имеет нелинейный характер и незначительно зависит от породы древесины. Для исследуемых способов тепловой пластификации установлено, что сухой прогрев образцов в поле токов высокой частоты (СВЧ, ТВЧ) оказывается более эффективным по затратам времени. Для сосны фиксированный средний прогиб (f_к) за 14 минут составляет 5,7мм (4,2мм - при тридцатиминутном кипячении заготовок). Для древесины березы и осины разница в показателях (f_к) менее очевидна и не превышает 7….17%. Проведены лабораторные наблюдения за релаксацией внутренних напряжений изогнутых сосновых образцов после снятия с них прессовой нагрузки и свободной выдержки в течение 45 суток (табл.2). Они показали, что величина (f_к) радиальной древесины, обработанной в ТВЧ и СВЧ, за первые 10 суток не изменилась (5,7мм), но затем (на 15-е сутки) уменьшилась на 10% , а по истечение 45 суток остаточный прогиб составил около половины начального. Таблица 2

Динамика релаксации гнутых образцов сосны

Направление волокон	Остаточная деформация изогнутых модельных балок при обработке заготовок в среде (ТВЧ и СВЧ / кипячение в воде)
	Величина прогиба (fк) образцов при выдержке в течение суток
	1	5	10	15	20	25	30	45
R	5,7/7,5	5,7/7,4	5,6/7,0	5,0/6,3	4,5/5,2	3,6/4,4	2,7/3,3	2,1/3,1
tg	5,5/7,4	2,6/7,1	2,1/6,6	3,4/5,5	4,2/4,3	5,0/4,5	4,3/3,6	3,2/2,2

Примечание: размеры экспериментальных образцов 20х50х250мм,

На основании полученных результатов отмечается, что сосновая древесина радиальной распиловки релаксирует более плавно, чем тангентальная. Это подтверждает ее пригодность для использования в качестве исходного материала при получении изогнутых заготовок.

Для оценки стабильности профиля балок арочного типа проведено исследование с использованием предварительно изогнутых сосновых заготовок толщиной 20мм с радиальным направлением волокон, имеющих физико-механические показатели, представленные в табл.3.

Таблица 3

Физико-механические показатели профилированных образцов из сосны

Образцы древесины R/tg		Значение показателей модифицированных образцов древесины						Радиус гнутья, R, м
Пластевая твердость Н/мм^2	Показатель стабильности гнутья, (∆f)	радиальных тангенциальных
		Е, ГПа	ɛ,%	G, МПа	Е, ГПа	ɛ,%	G МПа
105/108	0,35/0,4	7,7	1	42,7	9,4	0,95	45,0	0,6

Примечания: относительная твердость определена по шкале (НВ) твердомера ТЭМП-2

За счет предварительной пластификации древесины и поперечной упрессовки ее структуры при гнутье пластевая твердость возрастает незначительно (от 1,5 до 7%). Следовательно, упрочняющего эффекта этот параметр не показывает, а стабилизация изогнутости заготовок гарантируется другими изменениями древесины, например, кинетикой ее напряженно-деформированного состояния.

Из обычных и предварительно изогнутых заготовок были получены экспериментальные модели трехслойных гнутоклееных балок двух типов - БПГ и ПГ. Склеивание проведено в специальном зажимном устройстве, обеспечивающем получение заданного радиуса кривизны (см. рис.). Предварительное гнутье каждой заготовки выполнено в специальном гнутарном устройстве.

		2/3Рmaх
	А
Рmaх

3

1

h

А

Таблица 4

Физико-механические показатели образцов

гнутоклееных трехслойных балок из сосновых заготовок

Оценочные показатели								Радиус гнутья Rбпг/Rпг, м
Характеристика образцов			Показатели прочности для балок из
Твердость Н/мм^2	Стрела прогиба (БПГ/ПГ), мм		прямых заготовок		Прогиб (fP), мм при нагрузке 0,8Рmax (БГП) (ГП)	изогнутых заготовок
	f0 мм	f24м мм	Pmax/G, МПа	E, МПа		Pmax/G, МПа	E, МПа
154 165	5/4	4,5/3,7	87,1 43,6	11,2	2/4	83,8 44,6	12,0	1,0 1,1

Примечание: 1. (БПГ/ПГ) - без предварительного и с предварительным гнутьем;

2. f₀, f₂₄, f_P – прогибы: предварительный начальный; со свободной

выдержкой (24 месяца); при нагрузке (0,8Р_max).

У гнутоклееных образцов после их двухлетней свободной выдержки прогиб (f_24м) уменьшился соответственно на 9,1% и 7. Это значительно меньше тех показателей, которые характеризуют величину восстановления формы цельной древесины после ее гнутья и длительной выдержки. Следовательно, в новых балках за счет предварительного гнутья заготовок и склеивания их при минимальных внутренних напряжениях в структуре древесины, отрицательные упруго-деформационные процессы заметно угасают. Тем не менее, при длительной свободной выдержке экспериментальных клееных балок все же произошло изменение их первоначального профиля. Следовательно, в подобных конструкциях ожидаются значительные колебания внутренних напряжений, причем, именно в клеевых соединениях. Это в свою очередь снижает несущую способность конструкций и ведет к появлению дефектов в виде расслоений по клеевому соединению. Чтобы обеспечить повышенную стабильность изогнутой формы клееных балок, предложено армировать клеевые прослойки специальной тканью из углеродных волокон. Толщина армирующей ткани – 0,29мм, плотность – 1,8 г/см³, прочность на растяжение – 3800Н/мм². Эффект достигается при послойном полосовом армировании (1… 3%) наиболее напряженных зон сжатия и растяжения гнутокленой балки (табл.4.).

Таблица 4

Оценочные показатели армированной углеволокном гнутоклееной балки

Номер партии образцов	Характеристика образцов		Регистрируемые и расчетные показатели экспериментальных образцов				Видимые признаки разрушения образца
	прогиб, f10,мм	армиро- вание, %	Рmax., Н	Gизг,МПа	E,ГПа	Ƭск, МПа
1	3,7	1	99.6	58,3	13,7	3,6	нет
2	3,7	2	136.1	79,6	18,4	3,4	нет
3	3,7	3	175.5	102,8	23,1	2,9	нет
4	3,7	нет	72.3	42,3	9,8	3,2	разрыв по древесине

Примечание: 1. Размеры моделей клееной изогнутой балки 40х40х250мм;

клей – на основе фенолрезорциновой смолы ФРФ-50

Наблюдения за состоянием профилированной балкой в течение трех и девяти месяцев выдержки моделей показали, что при армировании конструкций их форма и кривизна стабилизируются через пять-семь дней и в дальнейшем сохраняются практически без изменений (табл. 5).

Таблица 5

Формоустойчивость армированной гнутоклееной балки

Номер образца (армиро- вание), %	Прогиб, fo/fк, мм	Сохранение формы изогнутости образцов клееной древесины, армированной углеволокном, %
		после однократного нагружения (2/3Рмах) и выдержки без нагрузки в течение, месяцев				выдержка под нагрузкой (1/3Рмах) при f0 = 4мм, в течение суток
		3	9	12	15	1	10	20	30
1 (2,5%)	6,0/5,0	100	93,3	90,2	90,0	95,1	90,0	88,2	87,5
2 (2,0%)	6,0/5,0	100	90,2	85,3	85,0	95,0	90,2	87,1	87,0
3 (1,5%)	6,0/4,5	100	80,5	78,0	78,1	84,3	82,7	80,0	79,6
4 (1,0%)	6,0/4,5	100	75,5	75,0	74,5	83,0	81,0	78,3	77,2

Примечания:

1. Размеры экспериментальных образцов - 40х40х250мм с вариантом набора

заготовок по высоте сечения - (10/1-20/1-10/1), шт.;

2. f₀, f_k – величина стрелы прогиба образца (начальная, конечная).

ВЫВОДЫ.

1. Предварительное гнутье древесины и армирование криволинейных клееных балок (от 1,0 до 3,0% содержания углеволоконной ткани в крайних клеевых прослойках) обеспечивают повышение прочности в 2-2,5раза, а также формоустойчивости и эксплуатационной надежности конструкций.
2. Стабильность заданной формы гнутоклееных балок и элементов рам обеспечивается за счет уменьшения внутренних напряжений в деревянной клееной конструкции и усиления ее высокопрочным углеволоконным материалом, не оказывающем отрицательного деформационного влияния на клеевое соединение.

Библиографический список

1. Леонтьев Н.А. Длительное сопротивление древесины. – Л.: Гослесбумиздат,

1957, 28с.

2. Уголев Б.Н. Древесиноведение. – М., МГУЛ, 2005,340с.

3. Бойцова И.Н. Исследование технологии склеивания древесины и

прогнозирование долговечности клеевых соединений /автореф. дис.канд.

техн. наук. – Л.: ЛЛТА, 1981, с.21.

Название на английском:

Авторы: