Чтение онлайн

Все сказанное выше незаметно превратилось в одну хвалебную речь, в прославление дерева. А медаль, естественно, имеет и оборотную сторону. Теперь с риском перечеркнуть все перечисленные достоинства перевернем медаль … и постепенно нас охватит ужас…

Как естественный продукт, изготовленный природой совсем не для строительных целей, древесина имеет много отклонений от нормального строения, соответствующего стандарту, много естественных повреждений. Это, например, сучки (т.е. места, от которых отходили отдельные ветви дерева), внутренние трещины, закручивание волокон на стволе в процессе роста или их сужение и расширение, а в результате волокнистая структура дерева оказывается неупорядоченной, что влияет на механические характеристики древесины. Невнимание при сортировке лесоматериалов может катастрофическим образом отразиться на несущей способности изготовленных из них элементов.

Весьма серьезный недостаток древесины — ее склонность к гниению и разрушению живыми вредителями (жуком-древоточцем, термитами и т. д.). Для органических материалов гниение — всеобщий процесс. Это биологическое явление обусловлено паразитированием в древесине при определенной температуре и влажности самых разнообразных микроорганизмов. В зависимости от конкретных условий с момента поражения до полного разрушения дерева проходит от нескольких месяцев до нескольких лет.

Пожароустойчивость древесины равна нулю. Неимпрегированное дерево не только быстро загорается, но и выделяет в процессе сгорания большое количество тепла, что способствует быстрому распространению пожара. С другой стороны, древесина очень гигроскопична. С ростом влажности ее объем увеличивается, прочность уменьшается. При высыхании древесина сокращается до своего первоначального объема. Неравномерное набухание и высыхание приводят к вспучиванию и искривлению дерева, что очень сказывается на его качествах как строительного материала.

С точки зрения механики природа древесины трудно поддается изучению. Основная причина этого — ее волокнистое строение. Волокна создают своеобразный скелет, в направлении которого древесина обладает наибольшей прочностью и твердостью. С увеличением угла отклонения силового воздействия от направления волокон сопротивления и модули упругости резко уменьшаются, а деформации быстро нарастают. О весьма чувствительных различиях в механических свойствах древесины при изменении этого угла может дать представление рис. 10. Показанная кривая характеризует работу элемента на сжатие. Только теперь мы сможем оценить, каким прекрасным, однородным и упругим материалом является сталь. Ведь у дерева сколько видов силового воздействия, столько и разных сопротивлений — на растяжение, на сжатие, на изгиб, на скручивание. И, что еще хуже, эти сопротивления, как и модули упругости, зависят от угла наклона относительно волокон. Поэтому расчет деревянных конструкций и их элементов весьма сложен, а точный анализ множества активных факторов просто неизбежен.

Основные расчетные характеристики определяются для воздействии, параллельных и перпендикулярных направлению волокон. На основании полученных результатов можно получить и механические характеристики древесины, нагруженной под определенным углом относительно волокон. На рис. 11 показаны рабочие диаграммы древесины, подвергающейся нагрузке на растяжение и сжатие в направлении волокон. При растяжении зависимость между напряжениями и деформациями представляет собой линию, слегка изогнутую вначале. Никакой пропорциональности нет. Строго говоря, закон Гука здесь теряет силу. Бросается в глаза отсутствие какой бы то ни было площадки текучести. В конечной фазе растяжения волокна начинают быстро рваться и разрушение наступает внезапно (хрупкое разрушение) при напряжениях порядка 1000 кг/см2.

Поведение дерева при нагрузке на сжатие представляет весьма разнообразную картину. После значительного почти прямолинейного участка в связи с быстрым ростом деформаций наблюдается нечто похожее на площадку текучести у мягких сталей. Другими словами, при работе на сжатие древесина обладает ярко выраженными пластическими свойствами. Разрушение начинается с искривления самых прочных волокон в направлении более слабых; при этом на поверхности испытуемого тела образуются характерные складки. При нарастании нагрузки происходит и окончательное разрушение — при напряжениях в 2—3 раза меньших, чем в случаях работы дерева на растяжение.

Когда мы рассматривали сталь, мы упомянули о еще одном сложном виде силового воздействия — об изгибе. Теперь же сделать это просто необходимо.

На изгиб работают почти все элементы почти всех видов строительных конструкций. Это, наверное, самая распространенная форма конфликта между нагрузками и конструкциями, между силовыми воздействиями и материалом.

Едва ли мы удивим кого-нибудь утверждением, что при изгибе одна часть сечения элемента подвергается сжатию, а другая — растяжению. Каждому случалось преодолевать препятствие по перекинутой доске или бревну. Физическое ощущение при этом наиболее яркое; провисающая под тяжестью нашего тела доска сама по себе достаточно отчетливо характеризует одно из главных инженерно-теоретических понятий — «изгиб». На рис. 12 показано, что верхняя часть изгибаемого элемента укоротилась, а нижняя удлинилась. Но деформация укорачивания предполагает возникновение сжимающих напряжений, а деформация удлинения — растягивающих. Следовательно, можно сказать, что изгиб — это форма одновременного сочетания растяжения и сжатия в рамках одного и того же сечения.

Практическая модель этого явления основывается на весьма простой гипотезе: предполагается, что элемент состоит из множества нитей, каждая из которых деформируется независимо от других. Кроме того, любые два сечения, находящиеся достаточно близко один от другого и перпендикулярные оси элемента, даже в случае очень сильной деформации остаются перпендикулярными провисшей оси. Физический эквивалент этого словесного описания можно видеть на рис. 12. При взаимном развороте двух сечений наиболее сильно деформируется (растягивается) нижний слой волокон. Следовательно, по закону Гука, в этом слое возникают самые большие напряжения. Волокна над этим слоем деформируются слабее и работают с меньшим напряжением. Еще слабее деформируется следующий слой волокон. Так мы доходим до среднего слоя, который вообще не деформируется и, следовательно, оказывается ненапряженным. Вверх от этого слоя деформации и напряжения снова нарастают, но с обратным знаком. Теперь это деформации сжатия.

Так как деформации распределяются линейно по высоте сечения, соответствующие напряжения тоже распределены линейно, что можно видеть и на их диаграмме. Следует обратить внимание, что напряжения, действующие перпендикулярно (или нормально) по отношению к плоскости сечения, называются нормальными напряжениями. Ниже на рисунке показаны и другие напряжения, которые действуют в плоскости сечения (тангенциально). Эти напряжения называются тангенциальными. Но не будем опережать события.

Мы добрались до одной из важнейших истин, до одного из фундаментальных положений классической инженерной науки. Изгиб присутствует всегда, и определение нормальных напряжений в изгибаемых элементах осуществляется на основе вышеописанной схемы независимо от их формы, величины и материала. Мосты, ангары, жилые, общественные и промышленные здания — все конструкции, которые создает человек и которые изгибаются, проходят через «сито» точных расчетов, характерных для механики, одно из положений которой мы рассмотрели почти в классическом виде. Разумеется, на практике это делается с помощью длинных формул, по специальным алгоритмам, а вся сложная процедура называется определением размеров сечения. Цель ее состоит в том, чтобы выбрать такие размеры сечения, при которых напряжения в элементе не превышали бы известного предельного значения. Но, вообще говоря, физическая сущность явления вполне может быть рассмотрена на простой модели, о которой мы рассказали выше.

Интересно сравнить работу материала в режиме осевого растяжения (или сжатия) и в режиме изгиба. Очевидно, что при осевой нагрузке диаграмма напряжений будет постоянна и однозначна, а в работу будет вовлечено все сечение, весь объем элемента, каждый грамм материала. При изгибе же по-настоящему работать будут только крайние слои. И даже еще хуже. В области нейтральной зоны, где напряжения растяжения становятся напряжениями сжатия, материал вообще не будет работать. К сожалению, наличие материала в этом месте чуть ли не формально.