2. Древесина и пластмассы как конструкционные строительные материалы. Нормативные и расчетные сопр отивления. Коэффициенты условий работы конструкций.

Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина - анизотропный материал, т.е. материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении).

Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесённые к единице площади сечения (1 см²) называются напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности.

Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороках образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют базисное сечение с размерами 20 * 20 мм и должны включать не менее 4-5 годичных слоёв. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение которых отличается от указанного.

Прочность при сжатии определяется на образцах призматической формы Предел прочности б, МПа, вычисляют по формуле: б_w = P_max / (a * b), где (a * b) - площадь сечения образца, мм².

В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа.

Предел прочности при статическом изгибе, МПа, вычисляют по формуле: б_w = (3/2) * ((P_max*l) / (b * h²)), где P_max - максимальная нагрузка, Н; l - пролет, т.е. расстояние между центрами опор, равный 240 мм; b и h - ширина (в радиальном) и высота (в тангенциальном) направлениях, мм.

Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют по формуле: T_w = P_max / (b * l), где (b * l) - площадка скалывания, мм².

Величина предела прочности - касательных максимальных напряжений при скалывании вдоль волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от предела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперёк волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.

Деформативность. При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности - модуль упругости. Модуль упругости вдоль волокон Е = 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

Эксплуатационные и технологические свойства. Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления б_д.с., который в среднем для всех видов нагрузки составляет примерно 0,5 - 0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.

Показателем прочности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности.

При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели - расчётные сопротивления. Они учитывают большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы.

Удельная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше, чем у древесины хвойных пород.

Твёрдость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твёрдого тела.

Износостойкость - способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.

Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдёргиванию гвоздя.

Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород - дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых - бука; хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие образования замороженных деформаций при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали.

Для сравнительной оценки качества древесины используют так называемые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее механических свойств, отнесенные к единице плотности.

Удельные характеристики древесины имеют особое значение, когда от изделия или конструкции требуется высокая прочность при малом весе. Это важно для транспортного машиностроения, авиастроения, судостроения и в других случаях.

Пластмассы 1. Нормативные относительные деформации предела термовязкоупругости конструкционных пластмасс , устанавливают по относительной деформации, соответствующей необратимому изменению физико-механических свойств материала.

Примечание. Под необратимым изменением физико-механических свойств понимают расслоения, образование микротрещин, нарушение начальной адгезии между волокнами и матрицей, разрыв части армирующих волокон - для композиционных материалов, "крезинг" - для термопластов, нарушение ячеистой структуры - для пенопластов.

2. Нормативные относительные деформации предела линейной термовязкоупругости конструкционных пластмасс устанавливают по относительной деформации, при которой отклонение от прямой изохронной зависимости между напряжением и деформацией при температуре 23 °С на базе времени не превышает 5 % (черт. 1).

Изохронная кривая напряжение-деформация

3. При расчете конструкций по предельным состояниям первой группы, в зависимости от типа материала и конструкции, расчетная относительная деформация устанавливается по нормативной относительной деформации по п. 1 или по п. 2 приложения 2. Коэффициент надежности по материалу принимают равным или большим 1,0.

В случае, если значение превышает значение расчетную относительную деформацию устанавливают по .

4. Нормативную податливость определяют при кратковременном (порядка 1 min) испытании материала монотонно возрастающей деформацией как отношение нормативной относительной деформации или к соответствующему напряжению.

5. Расчетную податливость , при нормальном напряжении определяют по формуле

, (1) ,где - нормативная податливость при нормальном напряжении, ;

- коэффициент ползучести; - коэффициент температуры; - коэффициент влияния среды.

6. При экспериментальном определении коэффициентов ползучести, температуры и влияния среды относительная деформация образца не должна превышать наименьшей из величин и .

7. Податливость при восстановлении определяют по формуле (2)

где - максимальная остаточная податливость при нормальном напряжении, ; - коэффициент восстановления.

Допускается принимать податливость при нагружении и при разгружении одинаковой и определять максимальную остаточную податливость по формуле : (3)

Время полного восстановления допускается принимать равным 10-кратной продолжительности действия нагрузки, если разница температур за время нагрузки и разгрузки не превышает 10 °С и прочие условия среды одинаковы. В этом случае коэффициент восстановления определяют по формуле

(4) , где - время разгрузки, h; - время нагрузки, h.

8. Расчетные податливости при сдвиге и определяют по нормативным податливостям при сдвиге по формулам (1)-(4). При этом принимают коэффициенты, установленные для нормальных напряжений.

Физические и механические свойства.

 Пористость пластмасс можно регулировать в процессе их производства в широких пределах. Так, полимерные пленки, линолеум, стеклопластики практически не имеют пор, а пористость пенопластов может достигать 95...98%. Поэтому средняя плотность пластмасс может быть близка к истинной плотности — у непористых пластмасс или снижается до 50...10 кг/м3 — у газонаполненных пластмасс.

 Водопоглощение пластмасс очень мало и не превышает для плотных пластмасс 3 %. Большинство пластмасс обладает значительной водостойкостью и стойкостью к водным растворам солей, кислот и щелочей.

Теплостойкость большинства пластмасс невысока (1ОО...2ОО°С), но отдельные виды пластмасс (фторопласт, кремшшорганические полимеры) выдерживают нагрев до ЗОО...5ОО°С.

 Теплопроводность (0,23...0,7 Вт/(м-°С) пластмасс низкая, а у газонаполненных пластмасс она близка к теплопроводности воздуха. Отличительной особенностью пластмасс является высокий (в 5... 10 раз выше, чем у других строительных материалов) коэффициент теплового расширения. Это обстоятельство необходимо учитывать при использовании пластмасс, особенно в сочетании с другими материалами,

 Прочность некоторых пластмасс значительна и у конструкционных пластмасс, таких, как стеклопластик, может достигать 200...300 МПа. При этом характерной особенностью пластмасс, отличающих их от каменных материалов, является то, что прочность при растяжении и изгибе у них почти такая же, как при сжатии (у каменных материалов σр= (0,2...0,1) σСж). Благодаря высокой прочности и малой плотности коэффициент конструктивного качества у пластмасс намного выше, чем у большинства традиционных строительных материалов.

 Модуль упругости у пластмасс приблизительно в 10 раз ниже, чем у бетона и стали. Это наряду с характерной для полимерных материалов ползучестью предопределяет их высокую деформативность.