Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

RELIABILITY OF CONSTRUCTION MATERIALS FROM WOOD

Research article
Leonova O.N.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.65.071
Issue: № 11 (65), 2017
Published:
2017/11/18
PDF

Леонова О.Н.

ORCID: 0000-0002-9646-8745, кандидат технических наук, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

Аннотация

Рассмотрены основные способы производства конструкционных материалов на основе модифицированной древесины. Составлена математическая модель для расчета надежности конструкционных элементов из древесины, в частности разработана методика терщиностойкости, основанная на использовании полуэмпирических методов и вероятностных методов, построении феноменологических стохастических моделей накопления кумулятивных повреждений, позволяющая, в зависимости от физико-механических свойств модифицированной древесины, прогнозировать число циклов нагружения до разрушения.

Ключевые слова: модифицированная древесина, конструкционные материалы, надежность.

Leonova O.N.

ORCID: 0000-0002-9646-8745, PhD in Engineering, Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

RELIABILITY OF CONSTRUCTION MATERIALS FROM WOOD

Abstract

The main methods of producing structural materials based on modified wood are considered in the article. The mathematical model for calculating the reliability of structural elements made of wood is developed. In particular, the method of crack resistance is developed, based on the use of semi-empirical methods and probabilistic methods, the construction of phenomenological stochastic models for the accumulation of cumulative damages, which allows predicting the number of loading cycles before destruction depending on the physical and mechanical properties of the modified wood.

Keywords: modified wood, construction materials, reliability.

Древесина является ценным, возобновляемым природным ресурсом. Лесопромышленный комплекс России, в настоящее время, значительно отстает по темпам роста от многих лесных стран. Во многом это связано с низкой эффективностью производств по переработке древесины и получению на ее основе полезной продукции [1].

Из древесины можно производить широкий спектр продукции, включая конструкционные материалы, которые могут заменять более дорогостоящие материалы, включая металлы, пластик и т.д. Известны опытные технологии производства из модифицированной древесины узлов трения, нейтронозащитных материалов, несущих конструкций [2].

К сожалению, в отличии, например, от европейских стран, большого распространения в России, на современный момент, эти технологии еще не получили [3].

Модификация цельной и измельченной древесины позволяет получать новые материалы с заданными свойствами, которые можно прогнозировать и задавать путем выбора способа и режима модификации [4].

Древесину заданного качества можно и выращивать, используя при этом специальные методы ухода, включая внесение удобрений, рубки ухода [5].

С точки зрения получения материалов для строительства, не считая выпиловки пиломатериалов из хвойных и твердолиственных древесных пород, можно разделить технологические процессы производства на две больших группы: модификация цельных массивов древесины путем пропитки с обезвоживанием и/или прессования; создание композитных материалов на основе измельченной древесины.

Материалы для модификации пропиткой могут быть самые разные, исходя из того, какие свойства материала должны быть в результате получены, например, это могут быть различные антисептики для повышения биостойкости, или антипирены – для огнезащитных свойств. Могут быть выбраны специальные вещества: парафин ‑ для повышения электрических свойств, красители ‑ для изменения цвета, карбамид – для повышения пластичности т.д. [6].

С помощью сушки (обезвоживания) удаляют лишнюю влагу из пор, прессование позволяет увеличить плотность древесины, и, соответственно, прочность. При помощи термообработки закрепляют приобретенные модифицированной древесиной свойства [7].

Наибольший эффект при модификации древесины может быть достигнут за счет оптимизации параметров всех вышеуказанных процессов и совместного воздействия технологий.

В настоящее время наиболее распространены способы модификации древесины давлением, путем воздействия на нее плоского штампа. При этом площадь контактной поверхности штампа с прессуемым материалом превосходит или совпадает с площадью контактной поверхности образца.

Когда с помощью плоского штампа осуществляется прессование круглых заготовок, сначала имеет место точечный контакт, который затем превращается в плоский вариант. В направлении действия силы сжатия прессование может обеспечить уменьшение диаметра круглых заготовок в 2‑2,5 раза [8].

Существует технология прессования, когда штамп воздействует на плоский клин. При такой технологии снижается интенсивность процесса разрушения, представляется возможным повысить скорость прессования образца, его плотность и прочность [9].

Вместе с тем, если проблема выбора способа и режима обработки древесины при ее модификации во многом решена, например, здесь необходимо отметить вклад ученых научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» В.И. Патякина, О.А. Куницкой и ряда других [10], то вопросам прогнозирования показателей надежности изделий из этих материалов до сих пор не уделялось должного внимания.

Если говорить о конструкциях, подвергающихся циклическим нагружениям, например, узлы трения, балки, то весьма важной характеристикой будет трещиностойкость.

Для приближенного определения момента отказа по трещиностойкости можно использовать вероятностные методы [11]. Например, математический метод, основанный на применении теории Марковских цепей (метод В-моделей). В этом случае строятся так называемые феноменологические стохастические модели накопления кумулятивных повреждений (ФСМКП). В основе построения этих моделей лежат следующие допущения:

  • Процесс эксплуатации конструкции состоит из повторяющихся циклов нагружения (ЦН);
  • Состояния поврежденности конструкции дискретны и обозначены через 1, 2….j…β (отказ);
  • Накопление повреждений в цикле нагружения зависит только от этого цикла и состояния повреждения в его начале;
  • повреждение за цикл нагружения может перейти из состояния, в котором оно находилось в начале этого цикла в состояние с номером на единицу больше.

Время х, согласно первому условию, дискретно, т.е. х=0, 1, 2, и т.д., допускаемые состояния дискретны по второму условию. Следовательно, при таких допущениях будет иметь место процесс с дискретным временем и состояниями, а третье условие соответствует Марковскому свойству процесса, который может быть описан в виде дискретной Марковской цепи. Она является заданной, если известен вектор начальных состояний, соответствующий выражению

05-02-2018 10-08-32   (1)

(При этом 05-02-2018 10-10-04). Переходная матрица, имеет вид: 05-02-2018 10-44-37   (2)

где: Рi – вероятность перехода в состояние (из i-1). qi=1 - Рi.

Состояние системы в момент времени х определяется по выражению Колмогорова-Чепмена:

05-02-2018 10-45-32   (3)

Интегральная функция распределения в момент выхода конструкции из работоспособного состояния, иначе говоря, состояния «β» определяется по формуле:

05-02-2018 10-47-44  (4)

Функции надежности и интенсивности отказов, соответственно, будут определяться следующими выражениями:

05-02-2018 10-48-35    (5)

05-02-2018 10-49-20    (6)

При дальнейшем моделировании полезно использовать график 05-02-2018 10-53-39 в функции j.

Вышеприведенные зависимости позволяют снизить трудоемкость решения задачи определения времени до достижения трещиной установленной предельной величины, иначе говоря, выхода конструкции из строя. Так, если обозначить w1β время до выхода конструкции из строя, при условии, что процесс начался из первого состояния, при х=0, то математическое ожидание времени до выхода из строя определится из нижеследующего выражения:

05-02-2018 10-54-39   (7)

а дисперсия времени до выхода конструкции из строя будет определяться выражением: 05-02-2018 10-55-34   (8)

На основании выражений (7) и (8) можно определить состояние, j* соответствующее заранее установленному, критическому, т.е. когда величина трещин определяет состояние конструкции до ее выхода из строя.

Затем, согласно методике, изложенной в [12] должна решаться задача о построении В-модели с наименьшим числом параметров, при известном векторе р0.

Для этого используется способ выбора рj или, что эквивалентно rj, которые позволяют существенно сократить число параметров. Он заключается в задании четырех блоков постоянных rj. При этом потребуются экспериментальные сведения о процессе развития трещин во времени (их размерах, а также статистические характеристики – математическое ожидание и дисперсия).

Для конкретных расчетов по данной методике нужны исходные данные, которые определяются по нижеследующему алгоритму.

Для известных характеристик древесного материала [13], по графику зависимости скорости образования трещины 05-02-2018 11-12-51 от величины коэффициента эффективности напряжений (05-02-2018 11-13-26), по которому определяется 05-02-2018 11-12-51 (или 05-02-2018 11-14-10), число циклов нагружений (N) при развитии трещины от первоначального состояния а0 до конечного (определенного) ак, можно получить по выражению:

05-02-2018 11-14-49   (9)

где: С и п – параметры уравнения Пэриса; Δσ – размах напряжений в цикле; 05-02-2018 11-15-54; у1 – функция, имеющая различный вид, для различных случаев нагружения и расположения трещин.

Величина коэффициента эффективности напряжений определяется по зависимости 05-02-2018 11-16-35[14]. Значение σ определяется по графикам [12], где параметром является х0,9 – время вычисления с вероятностью 0,9.

Вывод:

Разработана методика терщиностойкости конструкционных элементов из древесины, позволяющая, в зависимости от физико-механических свойств древесины, или древесного композита, из которого они изготовлены, прогнозировать число циклов нагружения до разрушения.

Список литературы / References

  1. Куницкая О.А. Обоснование направлений диверсификации обработки низкотоварной древесины на комплексных лесопромышленных предприятиях с использованием инновационных технологий /О.А. Куницкая ‑ СПб.: СПбГЛТУ, 2015. – 250 с.
  2. Куницкая О.А. Материаловедческие и технологические аспекты производства новых конструкционных и защитных материалов на основе древесины путем ее пропитки жидкостями с различными физико-химическими и биологическими свойствами / О.А. Куницкая // Деп. ВИНИТИ 290.04.11 № 202-В2011. ‑ 2011. ‑ 35 с.
  3. Куницкая О.А. Новые материалы из низкотоварной древесины и изделия из них /О.А. Куницкая, И.В. Григорьев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции -Воронеж.: ВГЛТУ. 2014. ‑ Том 2. ‑ С. 22–26. ‑ DOI: 10.12737/6097.
  4. Куницкая О.А. Выбор наполнителя для создания конструкционных материалов на основе отходов окорки /О.А. Куницкая// Материалы международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы лесного комплекса" ‑ Вологда: ВоГТУ, 2011. ‑ С. 72‑75.
  5. Григорьева О.И. Формирование рубками ухода сосновых насаждений повышенной устойчивости и ценности в условиях Ленинградской области: автореферат дисс… канд. сельхоз. наук: 06.03.03: защищена 22.12.05: утв. 21.06.06 Григорьева Ольга Ивановна. ‑ СПб, 2005 – 22 с.
  6. Куницкая О.А. Моделирование различных способов пропитки древесины полимерами /О.А. Куницкая// Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник. ‑ 2011. ‑ № 3. ‑ С. 131‑135.
  7. Куницкая О.А. Определение оптимальных параметров процесса прессования и обезвоживания пропитанных древесных материалов /О.А. Куницкая, В.Я. Шапиро, С.С. Бурмистрова, И.В. Григорьев // Вестник Московского государственного университета леса Лесной Вестник. ‑ 2012. ‑ № 4. ‑ С. 110‑115.
  8. Куницкая О.А. Оптимизация процесса модифицирования древесины /О.А. Куницкая, И.В. Григорьев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции -Воронеж.: ВГЛТА, 2014. ‑ Том 2. ‑ С. 375 – 378. ‑ DOI: 10.12737/3997.
  9. Куницкая О.А. Математическая модель процессов прессования и обезвоживания пропитанных древесных материалов / О.А. Куницкая, В.Я. Шапиро, С.С. Бурмистрова, И.В. Григорьев // Научное обозрение. ‑ 2012. ‑ № 5. ‑ С. 102‑114.
  10. Григорьев И.В. Научные школы лесопромышленного комплекса России /И.В. Григорьев // Дерево.ru. ‑ 2016. ‑ № 6. ‑ С. 42-46.
  11. Григорьев И.В., Методика расчета трещиностойкости пильных цепей /И.В. Григорьев, М.В. Тарабан, Н.Н. Вернер // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса» ‑ Вып. № 20. ‑ Брянск 2007. ‑ С. 91‑94.
  12. Богданофф Дж. Вероятностные модели накопления повреждений / Дж. Богданофф, Ф. Козин ‑ М.: Мир. 1989. ‑ 344 с.
  13. Куницкая О.А. Расчет деформационных свойств древесины /О.А. Куницкая, И.В. Григорьев // Воронежский научно-технический вестник. 2014. № 4. С. 84‑88.
  14. Гусев А.С. Сопротивление усталости и живучесть конструкции при случайных нагрузках /А.С. Гусев ‑ М.: Машиностроение. 1989, ‑ 244 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Kunickaya O.A. Obosnovanie napravlenij diversifikacii obrabotki nizkotovarnoj drevesiny na kompleksnyh lesopromyshlennyh predpriyatiyah s ispol'zovaniem innovacionnyh tekhnologij [Justification of the directions of diversification of processing low-grade wood in an integrated timber industry enterprises with the use of innovative technologies] /O.A. Kunickaya ‑SPb.: SPbGLTU, 2015. – 250 p. [in Russian]
  2. Kunickaya O.A. Materialovedcheskie i tekhnologicheskie aspekty proizvodstva novyh konstrukcionnyh i zashchitnyh materialov na osnove drevesiny putem ee propitki zhidkostyami s razlichnymi fiziko-himicheskimi i biologicheskimi svojstvami [Material science and technological aspects of production of new structural and protective materials based on wood by means of impregnation fluids with different physico-chemical and biological properties] / O.A. Kunickaya // Dep. VINITI 290.04.11 № 202-V2011, 2011. 35 p. [in Russian]
  3. Kunickaya O.A. Novye materialy iz nizkotovarnoj drevesiny i izdeliya iz nih [New materials from low-grade wood and products made of them] /O.A. Kunickaya, I.V. Grigorev // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka: teoriya i praktika. Sbornik nauchnyh trudov po materialam mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Actual directions of scientific researches of the XXI century: theory and practice. Collection of scientific papers on materials of international correspondence scientific-practical conference] -Voronezh.: VGLTU, 2014. ‑ P. 22 – 26. ‑ DOI: 10.12737/6097. [in Russian]
  4. Kunickaya O.A. Vybor napolnitelya dlya sozdaniya konstrukcionnyh materialov na osnove othodov okorki [The choice of filler to create structural materials based on waste debarking] /O.A. Kunickaya// Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii "Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa" [Materials of international scientific-practical conference "Actual problems of forestry complex"]. ‑ 2011. ‑ P. 72‑75. [in Russian]
  5. Grigoreva O.I. Formirovanie rubkami uhoda sosnovyh nasazhdenij povyshennoj ustojchivosti i cennosti v usloviyah Leningradskoj oblasti [The formation of the thinnings of pine plantations increased stability and values in conditions of Leningrad region]: avtoreferat diss… PhD in Agriculture: 06.03.03: defense of the thesis 22.12.05: approved. 21.06.06 Grigoreva Olga Ivanovna ‑ SPb, 2005 – 22 p. [in Russian]
  6. Kunickaya O.A. Modelirovanie razlichnyh sposobov propitki drevesiny polimerami [Models of different methods of impregnation of wood with polymers] /O.A. Kunickaya// Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa Lesnoj vestnik [Bulletin of Moscow state forest University Forest Bulletin]. ‑ 2011. ‑ № 3. ‑ P. 131‑135. [in Russian]
  7. Kunickaya O.A. Opredelenie optimal'nyh parametrov processa pressovaniya i obezvozhivaniya propitannyh drevesnyh materialov [Determining the optimal parameters of the process of pressing and dehydration of the impregnated wood materials] /O.A. Kunickaya, V.YA. SHapiro, S.S. Burmistrova, I.V. Grigor'ev // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa Lesnoj Vestnik [Bulletin of Moscow state forest University Forest Bulletin]. ‑ 2012. ‑ № 4. ‑ P. 110‑115. [in Russian]
  8. Kunickaya O.A. Optimizaciya processa modificirovaniya drevesiny [Optimization of the process of modification of wood] /O.A. Kunickaya, I.V. Grigorev // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka: teoriya i praktika. Sbornik nauchnyh trudov po materialam mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Actual directions of scientific researches of the XXI century: theory and practice. Collection of scientific papers on materials of international correspondence scientific-practical conference] -Voronezh.: VGLTA. ‑ 2014. ‑ Р. 375 – 378. ‑ DOI: 10.12737/3997. [in Russian]
  9. Kunickaya O.A. Matematicheskaya model' processov pressovaniya i obezvozhivaniya propitannyh drevesnyh materialov [Mathematical model of processes of pressing and dehydration of the impregnated wood materials] / O.A. Kunickaya, V.YA. Shapiro, S.S. Burmistrova, I.V. Grigorev // Nauchnoe obozrenie [Scientific review]. ‑ 2012. ‑ № 5. ‑ P. 102‑114. [in Russian]
  10. Grigorev I.V. Nauchnye shkoly lesopromyshlennogo kompleksa Rossii [Scientific schools of the Russian timber industry complex] /I.V. Grigorev // Derevo.ru [Derevo.ru] 2016. № 6. P. 42-46. [in Russian]
  11. Grigorev I.V., Metodika rascheta treshchinostojkosti pil'nyh cepej [Method of calculating the fracture toughness of saw chains] /I.V. Grigorev, M.V. Taraban, N.N. Verner // Sb. nauch. trudov «Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa» [Collection of scientific works "Actual problems of forestry complex"] № 20. Bryansk 2007. P. 91‑94. [in Russian]
  12. Bogdanoff Dzh. Veroyatnostnye modeli nakopleniya povrezhdenij [Probabilistic model of damage accumulation] / Dzh. Bogdanoff, F. Kozin M.: Mir. 1989, ‑ 344 p. [in Russian]
  13. Kunickaya O.A. Raschet deformacionnyh svojstv drevesiny [Calculation of strain properties of wood] /O.A. Kunickaya, I.V. Grigorev // Voronezhskij nauchno-tekhnicheskij vestnik [Voronezh scientific and technical Bulletin] 2014. № 4. P. 84 88. [in Russian]
  14. Gusev A.S. Soprotivlenie ustalosti i zhivuchest' konstrukcii pri sluchajnyh nagruzkah [Fatigue resistance and survivability of structures under random loads] /A.S. Gusev ‑ M.: Mashinostroenie. 1989, ‑ 244 p. [in Russian]