Экспериментальное исследование состояния клееных армированных балок с предварительным гнутьем древесины

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).

Примечание:
Размеры экспериментальных образцов радиальной распиловки
20 × 50 × 250 мм

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 5,7 мм (4,2 мм — при тридцатиминутном кипячении заготовок). Для древесины березы и осины разница в показателях (f_к) менее очевидна и не превышает 7…17%.

Примечание:
Размеры экспериментальных образцов 20 × 50 × 250 мм

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 (5,7 мм), но затем (на 15-е сутки) уменьшилась на 10%, а по истечении 45 суток остаточный прогиб составил около половины начального.
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 20 мм с радиальным направлением волокон, имеющих физико-механические показатели, представленные в табл. 3.

Примечание:
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. 1). Предварительное гнутье каждой заготовки выполнено в специальном гнутарном устройстве.

Рис. 1. Схема получения экспериментальных изогнутых балок:
1 — гнутоклееный элемент конструкции из трех предварительно изогнутых заготовок; 2 — заготовка из сосны; 3 — клеевое соединение; 4 — опорно-зажимное устройство

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. То есть 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 — 0,29 мм, плотность — 1,8 г/см³, прочность на растяжение — 3800 Н/мм². Эффект достигается при послойном полосовом армировании (1…3%) наиболее напряженных зон сжатия и растяжения гнутоклееной балки (табл. 4.).

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 (0,8Рmax)

Наблюдения за состоянием профилированной балки 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).

Примечание: Размеры моделей клееной изогнутой балки 40 × 40 × 250 мм; клей — на основе фенолрезорциновой смолы ФРФ-50