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УДК : 691:624.011
LA PREVISION DE LA SOLIDITE ET DE LA DEFORMATION DE LA CAPACITE DE TRAVAIL DU BOIS ET DES COMPOSITES DE BOIS
V.P. Yartsev, O.A. Kiseleva, M.A. Sachin
La chaire «Structures des batiments et des constructions», UTET Presente par le membre de la redaction, professeur V.I. Konovalov
Les mots cles et les phrases: la longevite, les composites, la solidite, la capacite de travail, la temperature.
Resume: On etudie les regularites de la solidite et de la deformation de la longevite du bois et des composites de bois dans une large gamme des charges. On etudie l'influence de divers facteurs sur les constantes. On regoit les significations des constantes physiques et empiriques definissant la capacite de travail ce qui ouvre les voies du reglage de la capacite de travail du bois et des composites de bois.
La plupart des matieres appliquees a la construction sont les composites. Ils se distinguent par la structure complexe non homogene, c'est pourquoi pour la prevision de leur capacite de travail1 il est difficile d'utiliser la methode des etats limites. En outre, pour les proprietes de la plupart des matieres contenant dans sa composition les polymeres, le changement de la temperature influence beaucoup. Pour la prevision de la capacite de travail de ces composites il faut utiliser rationnellement la conception de thermofluctuation de la solidite, selon laquelle l'hesitation thermique des atomes reste definissante pendant la destruction et la charge ne contribue qu’a l'acceleration du proces donne [1].
Pour de differents composites des matieres (les plastiques de bois, les matieres plastiques aerees, les composites de bitume, les materiaux epoxydes etc.) dans le regime des tensions constantes donnees et des temperatures etaient faits les essais de longue duree, lors desquels on fixait le temps avant la destruction. D’apres les resultats regus on construisait les graphiques dans les coordonnees demi-logarithmiques de la longevite a partir des tensions (lgx-o).
A titre des objets des etudes etaient choisis le bois et les composites qui se sont vite repandus dans la construction: feuille de placage, dalles de bois de copeau et de bois de fibre de la densite diverse. Toutes ces matieres ont la structure complexe, ce qui est reflete sur le proces de leur destruction, ainsi que sur l'aspect de la dependance (fig. 1) [2].
Dans la fig. 1 on voit, qu'elles representent les familles des lignes droites flabelliformes, se croisant au pole. Le changement de l'homogeneite et de l'orientation du remplissage de bois amene au changement du caractere des dependances. Avec cela
La capacite de travail comprend le secteur de trois parametres lies entre eux: longevite, solidite et thermoresistance.
а)
b)
70
v)
lgt, [s]
80
90
O, MPa
8 10 12 14
18 o, MPa
g)
lgt, [s]
Fig. 1 La dependance de la longevite de l’effort au repli transversal pour le bois (a) et les dalles de bois par la densite:
b - 700 (DSP); b - 800 (DSP avec le copeau fin); d - 850 (DVP) kg / m3
on observe le passage du faisceau directe, la dalle en copeaux de bois (DCB) vers les lignes droites paralleles (dalle en copeaux de bois avec le copeau fin) et ensuite vers le faisceau "inverse" (de la dalle ferme en fibre de bois).
Pour les dalles en fibre de bois (DFB) molles le mecanisme complexe de la destruction est caracteristique. Dans les coordonnees lgt-O sur les lignes droites on observe la fracture, mais dans les coordonnees lgt - 103/T les lignes droites se croisent a deux faisceaux [3]. Cela est provoque par le fait qu’a de petites tensions la destruction par couches de quelques fragments de la dalle est definissant, mais elle fonctionne de la fagon monolithe lors des grandes tensions [3]. Le fait donne se confirme visuellement, ainsi que par les grandeurs des constantes physiques. Lors de la destruction par couches l'energie de l'activation (U0) est proche a la grandeur du resiner phenol-formaldehyde, tandis qu’a la destruction monolithe elle est egale a l'energie maximale de l'activation de la cellulose.
7,5 10 12,5 o, MPa 90 110 130 150 О, MPa
Fig. 2 La dependance de la longevite de la tension lors de la flexion transversale pour:
а - DFB avec la densite de 200... 350 kg l m3; b - de la feuille de placage de la marque FK
Les dependances analogues sont observees lors de la destruction de la feuille de placage (fig. 2). Ainsi, la flexion transversale a l'intervalle de grandes tensions amene a la destruction par couches tandis qu’a l'intervalle de petites tensions la feuille de placage fonctionne comme une matiere monolithe. Une telle conduite est refletee et sur les grandeurs de toutes les constantes. A l'intervalle des tensions 140...155 MPa U0 est proche a la grandeur de l'energie maximale de l'activation du resiner, et a l'intervalle de 100.130 MPa est proche a l'energie de l'activation de la destruction de la cellulose. L'augmentation des tensions amene a l'augmentation de tm et a la reduction de Tm .
Pour le bois, comme pour une serie de composites de bois, le caractere de la dependance se distingue de l'aspect classique. Elles ont l'air du faisceau "inverse" ce qui peut etre lie a l'orientation des fibres de la cellulose [4]. Les dependances regues sont decrites par les equations suivantes pour la longevite: pour le faisceau directe
t = t
exp
Up _gО fj _ T_
RT
T
(1)
pour les lignes droites paralleles
x = x* exp |RT| exp (_Ьо) , (2)
pour le faisceau inverse
t = tm exp
T T* *
U0 — g О
RT
(3)
Ou g, U0, Tm u tm - les constantes physiques de la matiere: g - la constante structurale - mecanique; U0 - l'energie maximale de l'activation de l'amollissement ou de la destruction; Tm - la temperature limite de l'existence du corps solide; tm - la longevite minimale (la periode de Hesitation des unites cinetiques); R - la constante universelle a gaz; U - l'energie effective de l'activation de la destruction; b - le facteur structural - mecanique; U0 , g , Tm , t m, t* - les constantes empiriques.
Les significations des constantes physiques et empiriques entrant dans les equations donnees pour les matieres de bois etudiees, sont presentes dans le tab. 1 [1, 2].
La conception de thermofluctuation est applicable pour la prevision de la capacite de travail de deformation. L'etude du mecanisme de la deformation a la compression de longue duree et la penetration ont ete effectuees dans le regime des tensions constantes donnees et des temperatures. Lors de l'essai on fixait le temps (8) de l'acquisition par le modele de la deformation donnee (3, 5, 7, 10 %) ou de la fermete donnee (correspondant a l'immersion du plongeur au corps pour 1 mm). Avec cela les dependances ont le meme aspect qu’a la destruction et sont decrites par les equations suivantes.
Pour le faisceau directe
e = qm exP pour le faisceau inverse
U -go f1 _ T_
RT \ Tm
e=em exp
m RT
--- T-
1 m _ 1
V T"y
(4)
(5)
ou g, U0, Tm u 8m - les constantes physiques de la matiere: g - la constante structurale -mecanique; U0 - l'energie maximale de l'activation de l'amollissement; Tm - la temperature limite de l'existence du corps solide; 8m - la longevite minimale (la periode de Hesitation des unites cinetiques); R - la constante universelle a gaz, 8m , U0 , g, u Tm - les constantes empiriques.
L'exception fait DCB avec la densite de 800 kg/m3 (avec le copeau fin) pour laquelle la dependance du «faicseau inverse» est caracteristique, et non pas les lignes droites paralleles, ce qui est lie a la structure de la matiere donnee. Lors de la compression elle fonctionne comme plus homogene [2].
Lors de la deformation du bois les proces de la dependance acceptent l'aspect du «faisceau directe» [5]. Une telle conduite de la matiere est expliquee par sa structure: lors de la destruction on observe l'orientation des fibres de la cellulose, mais pas lors de la deformation.
Il faut remarquer, que lors des processus de la deformation de la feuille de placage ainsi que lors de le flexion transversale on observe l'aspect complexe de la charge.
Les significations des constantes physiques et empiriques sont presentees dans le tab. 2.
Des equations de la longevite on peut exprimer deux parametres restes de la capacite de travail: la solidite et la thermoresistance. On peut compenser l'augmentation ou la baisse de chacun de ceux-ci par le changement de deux des autres. Dans l’ensemble ils sont definis par un petit groupe de memes constantes physiques et empiriques (tm, U0, g u Tm), liees avec la composition et avec la structure de la matiere (du composite). Pour l'augmentation simultanee de trois limites de la capacite de travail il est necessaire de regler independamment les constantes: augmenter Tm, tm, U0 et baisser g [1, 6].
Grandeurs des constantes physiques et empiriques des composites aux aspects differents de la charge
Matiere Aspect de la charge Interval le des efforts, MPa Constantes physiques et empiriques
c V s p w , £ ~3 s - cb *C ^ 9 cc£
DCB avec la densite de 650 kg/m3 avec le divers copeau de la haute dispersion Flexion transversale - 10-3 571 194 12,8 -
DCB avec la densite de 700 kg/m3 avec le copeau homogene de la haute dispersion Flexion transversale - 10-2’9 540 213 11,3 -
Compression - 10-°>95 368 474 41,8 -
DCB avec la densite de 800 kg/m3 avec le copeau homogene de la basse dispersion Flexion transversale - 109’4 - 70 - 2,25
Compression - 106’25 189 -7 -5,17 -
DCB avec la densite de 850 kg/m3 avec le copeau heterogene de la haute dispersion Flexion transversale - 10-2 454 255 21,6 -
Compression - 10-1 465 186 11,5 -
DFB avec la densite de 850 kg/m3 Flexion transversale - 105’85 385 -115 -9,16 -
DFB avec la densite de 950 kg/m3 Flexion transversale - 109 182 -588 -32 -
DFB avec la densite de 200.350 kg/m3 Flexion transversale Jusqu'a 10 101’8 400 230 20 -
Plus 10 10 10-0’5 385 150 9,5 -
La feuille de placage (la marque FK) Flexion transversale Jusqu'a 130 10-2,75 1010 209 1,4 -
Plus 130 10-1’81 435 480 2,86 -
La feuille de placage (la marque FSF) Flexion transversale Jusqu'a 80 10-088 10-04 369 431 633 486 7 5,6 -
Plus 80 10-1 10-11 303 400 3518 790 45 8 -
Le bois du pin de la 2-eme qualite Flexion transversale - 107 160 -131 -1,7 -
Cassage - 107 200 -80 -21,6 -
Resiner phenolformalde-hyde [5] Flexion transversale - 10-12 263 122 13,8 -
Remarque. Pour la feuille de placage dans le numerateur on donne les grandeurs des constantes refues a l'intervalle des temperatures 14...40 °C, et dans le denominateur - 40.. .80 °C
Grandeurs des constantes physiques et empiriques lors de la deformation
La densite de DCB, kg/m3 Aspect de la charge Deformati on, % Intervalle des tensions, MPa Grandeurs des constantes physiques et empiriques
s * s w s о w i-J • ^ "o g 1 £=Г6Э , o,_ ^ k
700 Compression 3 10-1,5 588 115 38,3
5 10-1,5 454 193 37,1
7 10-1,5 417 276 36,3
10 10-1,35 417 334 32,0
35 (destruction) 10-0,95 368 474 41,8
Penetration - 10-1,2 435 223 6,96
800 Compression 3 107,4 238 -1 -86,4
5 107,2 235 -1 -42
7 107 238 -1 -27,3
10 107,1 208 -1 -9,5
19 (destruction) 106,25 189 -7 -5,17
Penetration - 106,2 206 -54 -5,9
Feuille de placage (la marque FK) Penetration - < 20 10-2,15 445 560 24
- > 20 10-1,6 662 78 2,26
Bois Compression 10 100,317 566 120 4,08
Penetration - 10-1,2 435 223 6,96
Le tableau montre que les constantes physiques et empiriques de bois et l’epoxyde des composites dependent de la structure de la matiere, de sa composition et des influences d'exploitation (par exemple, des facteurs climatiques, la presence des tensions locales etc.). Les resultats regus sont generalises dans le tab. 3.
Dependance des constantes physiques et empiriques de divers facteurs lors de la destruction fragile (P) et lors de la deformation (D) [1, 2]
Constantes physiques et empiriques
Facteur Aspect de la dependance t m T -L m g t s Т
Р D Р D Р D Р D Р D Р D Р D
Remplissage Constante =T »T Ti T =T »T iT i T T T T
Dispersion et qualite du remplissage Constante Ti - iT - Ti - Ti - iT - iT - iT -
Dimensions du remplissage Changee Ti Ti iT iT iT iT iT iT iT iT iT iT iT iT
Plastification Constante = T i i = i T i i i i i - -
Stabilisation chimique Constante = » Ti » T = T » T » - -
Polarite Constante = i T T = T i i T T T T - -
Cristallinite Constante = - T T = T - - T T T T - -
Structure Constante = = - = = T - T - T - T - -
Extraction preliminaire Constante = = T = T i T T T T T - -
Introduction des tensions
locales :
a) Sans orientation de la
matiere Constante = = T i i T i T T T - -
b) Avec l'orientation de la matiere Changee T - »i - iT - iT - >> i - >> i - »T -
Aspect de la charge Constante iT iT Ti Ti Ti Ti
Direction de l'influence de la force Constante = - - Ti - Ti - iT - iT - iT -
Milieu agressif Constante i - - - i - T - i - i - i -
Facteurs climatiques :
a) Changements de temperature de vingt-quatre Constante = = = = i i
heures et de l'humidite
b) Cycles annuels du blocage - degel Constante = - = - = - = - i - i - - -
Parametres de la capacite de travail
La remarque - T - augmente; 4 - baisse; - est invariable.
augmente un peu; » - est presque invariable;
>> -
Le tabeau 3 montre que l'aspect de la charge et la direction de l'influence de la force, ainsi que la cristallinite, la structure et l'extraction preliminaire influencent seulement sur la constante structurale - mecanique (g). Les dimensions , la dispersion et la qualite du remplissage, ainsi que la presence dans les composites de bois des tensions locales influencent sur toutes les constantes. Avec cela la reduction des dimensions des particules de bois et leur orientation (technologique ou autour de l'orifice pendant le forage) amenent au changement du caractere des dependances lors de la destruction et lors de la deformation [1, 2, 7]. Lors de la deformation des matieres polymeriques l'introduction des plastifiants amene aussi au changement de toutes les constantes.
L'augmentation des parametres de la capacite de travail se passe en presence du revetement, de augmentation de la polarite, de la cristallinite, de la structure et de l'extraction preliminaire. Les tensions locales agissent differemment sur la capacite de travail des composites de bois. Pour DCB elle augmente un peu, mais pour DFB elle baisse beaucoup. Cela est lie, peut etre, au changement de la densite et de l'orientation des particules de bois lors du forage des orifices dans DFB. Il faut remarquer, qu'avec l'augmentation de la densite DFB la capacite de travail augmente beaucoup, et celle de DCB ne change pratiquement pas. Les autres facteurs (la reduction des dimensions du copeau dans DFB, la reduction de la dispersion du remplissage et de sa qualite, l'introduction des plastifiants, ainsi que l'influence des milieux agressifs et des facteurs climatiques) amenent a la reduction de la capacite de travail des matieres composites.
Les resultats regus permettent de faire des pronostics de la capacite de travail des matieres existantes dans une large gamme des parametres d'exploitation, ainsi que de regler les compositions des nouvelles matieres composites.
La liste de la litterature
1 Ратнер, С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозировать работоспособность? / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М.: Химия, 1992. - 320 с.
2 Киселева, О.А. Прогнозирование работоспособности древесностружечных и древесноволокнистых композитов в строительных изделиях : дис. ... канд. техн. наук. / О. А. Киселева. - Воронеж, 2003. - 205 с.
3 Ярцев, В.П. Зависимости долговечности (времени до разрушения) древесноволокнистых плит от напряжения и температуры / В. П. Ярцев // Вестник ТГТУ. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2005. - Том 11. - № 1А. - С. 186-189.
4 Киселева, О. А. Термофлуктуационные закономерности разрушения древесины / О.А. Киселева, В.П. Ярцев, М.А. Сашин // Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения отделения строительных наук РААСН. - Самара, 2004. - С. 223-225.
5 Ярцев, В. П. О долговечности и скорости деформирования при пенетрации древесины / В.П. Ярцев, О. А. Киселева, Е.Ю. Тареева, М. А. Сашин // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций: Материалы IV международной науч.-техн. конф. - Волгоград: ВолгГАСА, 2005. - Ч. I. - С. 129-132
6 Ярцев, В.П. Физико-технические основы работоспособности органических материалов в деталях и конструкциях / В.П. Ярцев // дис. . д-ра техн. наук. - Воронеж, 1998. - 350 с.
7 Ярцев, В. П. Границы работоспособности композитных строительных материалов / В.П. Ярцев, О.А. Киселева // Вестник ТГТУ. - Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2004. - Том 10. - № 2. - С. 543-547.
Прогнозирование прочностной и деформационной работоспособности древесины и древесных композитов
В.П. Ярцев, О.А. Киселева, М.А. Сашин
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ТГТУ
Ключевые слова и фразы: долговечность; композиты; прочность, работоспособность; температура.
Аннотация: Исследованы закономерности прочностной и деформационной долговечности древесины и древесных композитов в широком диапазоне нагрузок. Изучено влияние различных факторов на константы. Получены значения физических и эмпирических констант, определяющих работоспособность, что открывает пути регулирования работоспособности древесины и древесных композитов.
Forecasting Strength and Deformation Ability of Wood and Wood Composites
V.P. Yartsev, O.A. Kiselev, M.A. Sashin
Key words and phrases: durability; composites; strength; ability to work; temperature.
Abstract: Regularities of strength and deformation durability of wood and wood composites in a wide scale of load are studied. The influence of different factors on the constants is examined. The values of physical and empirical constants, determining the durability are obtained; thus the new ways of regulating durability of wood and wood composites are found.
Prognostizierung der Festigkeits- und Deformationsarbeitsfahigkeit des Holzes und der Holzkomposite
Zusammenfassung: Es sind die Gesetzmafligkeiten des Festigkeits- und Deformationslebensdauers des Holzes und der Holzkomposite im breiten Umfang der Belastungen untersucht. Es ist der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Konstanten erlernt. Es sind die Bedeutungen der physikalischen und empirischen Konstanten, die die Arbeitsfahigkeit bestimmen, erhalten. Das alles offnet die Wege der Regelung der Arbeitsfahigkeit des Holzes und der Holzkomposite.
