Исследование напряжений в древесине от действия забитого гвоздя на основе реконструктивной обработки данных поверхностного зондирования

86

Вестник ТГАСУ № 1, 2008

УДК 624.012

Д.Г. КОПАНИЦА, докт. техн. наук, профессор,

Д. В. ЛОСКУТОВА, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ДРЕВЕСИНЕ ОТ ДЕЙСТВИЯ ЗАБИТОГО ГВОЗДЯ НА ОСНОВЕ РЕКОНСТРУКТИВНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

В статье рассмотрены результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение местного уплотнения древесины в области взаимодействия с заостренной частью забитого гвоздя. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде радарограмм. Показано, что при внедрении гвоздей диаметрами 4 и 6 мм в древесине возникают области сжатия с давлением от 18 до 22 МПа. При этом размеры зоны уплотнения вдоль волокон 8-10 мм и поперек волокон 6-8 мм в зависимости от диаметра гвоздей. Помимо напряжений сжатия обнаружены зоны разуплотнения, распространяющиеся вдоль волокон на расстояние до 4 диаметров гвоздя.

При внедрении зубьев металлических зубчатых пластин (МЗП) в древесине возникает ограниченная область уплотнения. Степень сжатия древесины достигает значительной величины и зависит от формы и размеров внедренного элемента. Количественная оценка возникающих деформаций и напряжений в области уплотнения весьма затруднительна. Для выявления картины распределения напряжений в древесине в области внедренного металлического заостренного тела были проведены экспериментальные исследования с применением георадара.

В качестве экспериментальных образцов взяты две серии деревянных призм с размерами 150x150x500 мм из сосны II сорта, влажностью Ж = 20 % (рис. 1). Исследования структурного состояния древесины проведены на двух призмах без гвоздей и на двух призмах с забитыми гвоздями. Сведения об опытных образцах приведены в табл. 1, здесь БЦ - брус без забитых гвоздей и БГ - брус с забитыми вдоль продольной оси гвоздями. Гвозди диаметром 4,0; 6,0 мм и соответствующей длиной 85, 200 мм. Образцы марки БЦ первой серии являются эталонами для определения величины и картины распределения напряжений.

Рис. 1. Брус размером 150x150x500 мм

© Д.Г. Копаница, Д.В. Лоскутова, 2008

Исследовались напряжения в древесине, возникающие от действия заостренной части гвоздя, забитого перпендикулярно продольной оси призмы.

Полученные сведения о напряжениях в зоне контакта могут служить основой для моделирования работы зуба МЗП.

Проникновение гвоздя и формирование нагельного гнезда происходит за счет местного уплотнения трубчато-волокнистой структуры древесины. Гвоздь, забиваемый в цельную древесину, создает в ней и раскалывающие напряжения. В зоне действия заостренной части гвоздя образуется уплотнение и формируется объемное напряженное состояние.

Таблица 1

Общая характеристика испытываемых образцов

Марка образца Серия образца 0 гвоздя, мм Длина гвоздя, мм Примечание

БЦ-1 Брус без гвоздей - - W = 20 %, II сорт

БЦ-2 Брус без гвоздей - - Г = 20 %, II сорт

БГ-1 Брус с гвоздями 4 85 Г = 20 %, II сорт

БГ-2 Брус с гвоздями 6 200 Г = 20 %, II сорт

Георадарные исследования образцов серии БГ проводились путем профилирования вдоль бруса над забитыми гвоздями, как показано на рис. 2. Сканирование деревянных образцов с забитыми гвоздями выполнялось в двух плоскостях, перпендикулярных продольной оси бруса. В работе использован сертифицированный георадар АБ-1700 с рабочей частотой антенного блока 1700 МГц, глубиной зондирования не менее 50 см.

Рис. 2. Сканирование георадаром вдоль бруса со стороны боковой поверхности гвоздей

Зондирование осуществлялось путем излучения последовательности мощных наносекундных электромагнитных импульсов длительностью порядка 0,5 нс и приема, отраженных от диэлектрических неоднородностей сигналов, затем усилении и их обработки. По измеренному времени распространения сигнала в зондируемой среде и известной скорости распространения электромагнитного сигнала в древесине определялось расстояние до диэлектрических

неоднородностей, а по форме и амплитуде отраженного сигнала можно судить об их физических свойствах.

Для получения исходной картины распределения напряжений в первую очередь были просканированы эталонные образцы без гвоздей БЦ.

Количественная оценка напряжений в эталонных образцах серии БЦ проведена при испытании на сжатие вдоль и поперек волокон на гидравлическом прессе (рис. 3).

Рис. 3. Испытание призм из древесины сосны на действие сжимающей силы: а - вдоль волокон; б - поперек волокон

При испытании на действие продольной силы нагрузка увеличивалась поэтапно с шагом 25 кН с одновременным сканированием образца. На рис. 4 приведена схема испытаний исследуемых призм из древесины на продольное сжатие.

////////

Рис. 4. Схема испытаний призм из древесины на сжатие

Антенна георадара установлена на боковой поверхности бруса. Электромагнитное излучение направлено поперек его продольной оси. Значение сжимающей силы и соответствующий ей номер метки приведены в табл. 2.

Соответствие номера меток и приложенной нагрузки

Таблица 2

№ метки 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

а £ * а ^ к вдоль волокон 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 480

поперек волокон 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 285

Результаты георадарных испытаний образцов серии БЦ на сжатие представлены радарограммой (рис. 5). Цветовая гамма соответствует степени сжатия древесины по линии профилирования с зоной захвата, равной ширине диаграммы направленности георадара. Разрез проходит по срединной плоскости бруса. Номер метки соответствует этапу нагружения при пошаговом изменении нагрузки на 25 кН.

Рис. 5. Радарограмма испытания призмы на сжатие вдоль волокон

На рис. 6 показана схема испытаний деревянных призм на сжатие поперек волокон. Антенна георадара установлена на торце бруса. Электромагнитное излучение направлено вдоль его продольной оси.

////////

Рис. 6. Схема испытаний призм из древесины на сжатие поперек волокон

Результат испытания на сжатие поперек волокон представлен радарограммой на рис. 7. Значения напряжений, соответствующих уплотнению древесины поперек волокон, даны в табл. 2.

Рис. 7. Радарограмма испытания призмы на сжатие поперёк волокон

Рассмотрим результаты измерений, полученные на призмах с гвоздями диаметром 4 мм. На рис. 8 приведены радарограммы образца без гвоздей БЦ-1 и образца БГ-1 с гвоздями, расположенными перпендикулярно плоскости разреза на расстоянии 7,5 см от зондируемой поверхности. Разрез проходит по срединной плоскости бруса. В области заостренной части гвоздя видны уплотнения, характеризующиеся неравномерным распределением плотности древесины, вызванные как сжимающими напряжениями под остриём, так и раскалывающими напряжениями поперек волокон.

а)

НС 0 5 10 15 20 25 30 . . і . . 2іі

0 Поверхность бруса со стороны радара _

^ ^ “0.00м

Щ* - л — _0.10м

5 Поверхность бруса с противоположной стороны от радара _0.20м

б)

НС О 5 10 15 20 25 30 М<

Поверхность бруса со стороны радара _

“0.00м

12 3 4

5 (Поверхность бруса с противоположной стороны от радара

Рис. 8. Радарограмма деревянных образцов:

а - без гвоздей БЦ-1; б - с внедренными гвоздями БГ-1: 1 - гвоздь 4x85 мм

На рис. 9 представлены радарограммы образцов БЦ-2 и БГ-2 с гвоздями диаметром 6 мм, расположенными перпендикулярно плоскости разреза на расстоянии 7,5 см от зондируемой поверхности.

Получены картины распределения зон уплотнения в области заостренной части гвоздей. У деревянных образцов БГ-1 и БГ-2 с гвоздями диаметром 4 и 6 мм наблюдаются ярко выраженные зоны уплотнения. В большей степени зоны уплотнения проявились в образцах с гвоздями диаметром 6 мм.

а)

Рис. 9. Радарограммы: бруса без гвоздей

Эксперименты показали, что в области заостренной части гвоздя диаметром 4 мм в древесине возникла зона уплотнения с размерами вдоль волокон 30 и поперек волокон 20 мм, а для гвоздей диаметром 6 мм - 50 и 30 мм соответственно. Непосредственно под острием рассмотренных гвоздей зоны уплотнения мало отличаются по размерам и составляют 10x8 мм. Сопоставление с радарограммами эталонных образцов показало, что максимальные значения напряжений сжатия достигали 21,3 МПа. Помимо напряжений смятия в области заостренной части гвоздей видны зоны разуплотнения, распространяющиеся вдоль волокон на расстояние до 4-5 диаметров, что соответствует 1/3 расстояния от рекомендуемого нормами для гвоздевых соединений.

Библиографический список

1. Лукьянов, С.П. Выделение локальных неоднородностей в полупроводящих средах / С.П. Лукьянов, В.Е. Семенчук // Известие вузов. Физика. - 1998. - Т. 41. - № 4 -С. 91-97.

2. Радиолокационная аппаратура для дистанционного контроля физического состояния сред / С.П. Лукьянов, А.С. Карауш, Р.В. Потёмин [и др.] // Наука производству. - 1999. -№ 7 (20). - С. 46-47.

92

Вестник ТГАСУ № 1, 2QQS

D.G. KOPANITSA, D.V. LOSKUTOVA

RESEARCH OF TENSION IN WOOD FROM THE ACTION OF THE HAMMERED NAIL ON THE BASIS OF RECONSTRUCTIVE DATA PROCESSING OF SUPERFICIAL SOUNDING

The results of the experimental researches directed on studying of local condensation of wood in the field of interaction with the pointed part of the hammered nail are considered in the paper. Results of experimental researches are presented in the form of radarogram. It is shown, that a introduction of a nail (4mm and 6 mm diameters) in wood arise areas of compression with pressure from 18 up to 22 MPa. Thus the zone of condensation along fibres is 8-10 mm and across fibres is 6 - 8 mm according to diameters of nails. Besides tension of compression the zones of decompaction, extending along fibres on distance till 4 diameters of a nail were discovered.

УДК 624.012

Д.В. ЛОСКУТОВА, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ЗОНЕ КОНТАКТА С НАГЕЛЕМ

В статье представлены результаты экспериментальных исследований деревянных двухсрезных соединений на сжатие с использованием георадара. Получены картины напряженно-деформированного состояния в древесине в зоне контакта с радиопрозрачным нагелем. Калибровка значений напряжений проведена по результатам испытания древесины вдоль и поперек волокон на сжатие.

Для изучения картины распределения напряжений в древесине от действия нагеля в лаборатории деревянных конструкций ТГАСУ проведены экспериментальные исследования. Рассмотрена работа симметричных двухсрезных соединений, объединенных радиопрозрачным нагелем из стеклопластика диаметром 5,4 мм. Оценка напряжений в зоне действия нагеля проведена георадаром.

Схема испытания узлового соединения показана на рис. 1. В процессе эксперимента рассматривалось напряженно-деформированное состояние древесины среднего элемента. Антенна георадара устанавливалась на боковой поверхности узлового соединения. Электромагнитное излучение было направлено перпендикулярно продольной оси конструкции в зону действия нагеля.

Испытания проведены на стенде, конструкция которого показана на рис. 2. Нагрузка создавалась гидравлическим домкратом и прикладывалась к торцам узлового соединения вдоль продольной оси с шагом 1,6 кН.

В процессе испытания помимо георадарных измерений определялись деформации образца во всем диапазоне его прочностных свойств.

Испытано две серии двухсрезных узловых соединений по 6 образцов в каждой. В образцах первой серии нагели устанавливались без предвари-

© Д.В. Лоскутова, 2008