TERMOMECHANICZNY OPIS PROCESU PEŁZANIA DREWNA

Transkrypt

1 ROCZNIKI INŻYNIERII BUDOWLANEJ ZESZYT 8/8 Komisja Inżynirii Budowlanj Oddział Polskij Akadmii Nauk w Kaowicach TERMOMECHANICZNY OPIS PROCESU PEŁZANIA DREWNA Kamil PAWLIK Polichnika Opolska, Opol. Wprowadzni W arykul zosał przdsawiony rmomchaniczny modl płzania drwna. Drwno składa się główni z clulozy, będzi więc rakowan jako polimr. W procsi uwzględniono różn ypy przmian rlaksacyjnych zachodzących w polimrach.. Modl drwna Na rysunku przdsawiony zosał przkrój drwna w poprzk włókin. Rys. Przkrój drwna w poprzk włókin [] ig. Scion of wood acros o grain [] Widać na nim układ cwk, kórych błona składa się z wilu warsw zbudowanych z clulozy, hmiclulozy i ligniny. Większość objęości zajmuj błona wórna zbudowana główni z clulozy (94% clulozy i hmiclulozy) i w znacznj części ona dcyduj o właściwościach mchanicznych drwna. Cluloza ma ak zwaną budowę miclarnofrędzlową. Łańcuch molkularn wysępują u na przmian w obszarach uporządkowanych (krysaliy), gdzi w odlgłości działania sił van dr Waalsa łańcuchy ulgają powiązaniu przz siły międzycząsczkow, okrślanych mianm micl frędzlowych oraz niuporządkowanych (obszary amorficzn), w kórych łańcuchy clulozy ni są z sobą powiązan.

2 6 Rys. Część mikrofibryli [] ig. Par of microfibril [] Taka budowa drwna powoduj, iż opisywany przz nas procs płzania będzi przbigał podobni jak w polimrach wilkocząsczkowych. Przyjęo modl miclarnofrędzlowy, wymaga o jdnak idnyfikacji odpowidnich ypów rlaksacji polimru [3]. Z przprowadzonych własnych badań płzania drwna wynika, ż wysępują u dwa procsy płzania, a co za ym idzi dwa ypy przmian rlaksacyjnych. W fazi amorficznj moż o być rlaksacja ypu γ, przyporządkowana obroom ogniw wokół wiązań, kórą przdsawia rysunk 3. Rys. 3 Obró ogniw z zachowanim kąa warościowości [4] ig. 3 Chain sgmns roaion wih consrvaion of valncy angl [4] Przdsawiony mchanizm powoduj ak zwan odkszałcnia wysokoplasyczn (sprężys opóźnion). Są rzulam zmian konfiguracji wilkocząsczkowj srukury. Js on całkowici odwracalny al podobni jak narasani odkszałcń przbiga w okrślonym czasi [4]. Drugim ypm przmian rlaksacyjnych mogą być ruchy łańcuchów wzdłuż długości krysaliu lub rlaksacj związan z ruchm dużych morfologicznych lmnów, np. międzyfibrylarn ścinani. Konskwncją przyjęcia akigo modlu, js wprowadzni do modlu rmomchaniczngo dodakowych paramrów opisujących wspomnian mchanizmy rlaksacyjn.

3 63 3. Bilans procsu płzania drwna Modlowany ośrodk powinin spłniać podsawow dla procsów rmomchanicznych zasady zachowania masy, pędu, nrgii i nropii. Przdsawiono j koljno poniżj [5]: Wprowadzając nalpię ρ + ( ρv i ), i = bilans masy, () dvi ρ = ρ i + σ, j bilans pędu, d () du ρ = ρ r q i, i + σ d bilans nrgii, d (3) ds r qi ρ ρ bilans nropii. d T T (4), i ρh = ρu σ ε, (5) i liminując wspóln składniki z równania (3) i nirówności (4) orzymano nirówności rzydualnj qit, i ρ H& + ρ ST& & σ ε. (6) T 4. Równania fizyczn procsu Punkm wyjścia do dalszych rozważań js uaj nirówność rzydualna (6). Jak już wspomniano, z badań wynika, ż procs płzania powodują dwa mchanizmy, dlago w dalszj części założono, ż odkszałcnia są sumą odkszałcń sprężysych naychmiasowych, sprężysych opóźnionych i lpkich s + ε = ε + ε ε. (7) Odkszałcnia sprężys naychmiasow związanych są z zmianą odlgłości między aomami w łańcuchach, naomias sprężys opóźnion z zmianami konformacyjnymi łańcuchów. Mchanizm n opisuj paramr,, kóry na począku js równy, a po pwnym czasi bliski zru, co oznacza zakończni procsu. Odkszałcnia lpki związan są z lpką dyssypacją nrgii wynikającą z ruchów łańcuchów względm sibi. Przyjęo więc posać nalpii w formi ( σ, S ) ρ H = ρh,. (8)

4 64 Js ona zalżna ni ylko od naprężń σ i nropii S, al równiż od paramru opisującgo procs zmian konformacyjnych łańcuchów. Po zróżniczkowaniu (8) H H G H& & ρ = ρ & σ + ρ + ρ S&, (9) σ S podsawiając uzyskany wynik do nirówności (6) i uporządkowaniu orzymano nirówność H ρ σ H H qit, i ε & σ + + Θ S& ρ &. () S T Analizując człony dyssypacyjn przy założniu, ż T wynika, ż mogą zachodzić rzy przypadki, i = & G < & G > G G & = - brak dyssypacji. Biorąc o pod uwagę i zakładając, ż js procs izormiczny aproksymowano nalpię w posaci ρh = ρh L K σ σ σ ( ) σ σ L ( ) σ + n( ) ( τ σ ( τ ) dτ ( τ, τ ' σ ( τ σ ( τ ') dτdτ '. + () Różniczkując funkcjonał () oraz wsawiając go do nirówności (), po uporządkowaniu orzymano nirówność K + ( ) + σ + ( ) σ + L ( ) + ( τ σ ( τ ) + L σ σ L σ + n & + R. dτ ε & σ + ()

5 65 Nirówność () powinna być spłniona dla wszyskich warości współczynniki przy nich powinny być zrow. Biorąc pod uwagę, ż σ&. Oznacza o, ż K ε = ε, L =, n = o koljno począkow warości odkszałcń sprężysych, odkszałcń sprężysych opóźnionych i paramru oraz ( ) L = orzymano równania na odkszałcnia ε = ε + ε ( ) + σ + ( ) σ + ( τ σ ( τ ) dτ, (3) oraz ogranicznia σ σ ε σ + & + R, (4) gdzi R = ( τ, τ ') ( τ σ ( τ ') & σ dτdτ ', (5) Z analizy członu σ σ ε σ + & (6) wynikają dwa przypadki: I. Obciążani σ, ε, = = II. Odciążni σ =, ε, σ σ &, (7) & (8) Wynika sąd, ż przy nizrowych naprężniach paramr musi malć, a przy braku naprężń rośni. Biorąc akż pod uwagę, ż procs js zanikający zaposulowano paramr w posaci dla σ ( ) =, (9) + ( ( ) ) dla σ = gdzi o czas zdjęcia obciążnia.

6 66 Wsawiając (9) do (3) i zakładając, ż począkow odkszałcnia są równ zru orzymano osaczną posać równania na odkszałcnia gdzi ε s = ε + ε + ε c = s s σ + ( ) ( ) σ + ( τ σ ( τ ) ˆ dτ, () ( ) = ( ) - obciążni, - odciążni. () Z wykonanych badań płzania drwnianj blki poddanj czysmu zginaniu (ni zaprznowanych w ninijszym arykul) wynika, ż równani fizyczngo na odkszałcnia w formi () bardzo dobrz opisuj, zaobsrwowan w rakci ksprymnu, zminn w czasi odkszałcnia badanych próbk. Liraura [] Thuvandr., Wallsröm L., Brglund L. A., Lindbrg K. A. H.: Effcs of an imprgnaion procdur for prvnion of wood cll wall damag du o drying, Wood Sci. and Tch. 34, s ,. [] Krzysik.: Nauka o drwni, PWN, Warszawa, 978. [3] Ward I. M.: Mchaniczn właściwości polimrów jako worzyw konsrukcyjnych, PWN, Warszawa, 975. [4] Hyla I.: Tworzywa szuczn : własności, przwórswo, zasosowani, Polichnika Śląska, Gliwic, 4. [5] Kubik J.: Elmny rmomchaniki, SiM PO, Opol, 4. THERMOMECHANICAL DESCRIPTION O CREEP O WOOD Summary In h aricl h modl of wood crp is inroducd. Th wood consiss of cllulos mainly, hrfor h is rad as h polymr. In h procss Th various yps of rlaxaions chang in polymrs ar akn ino accoun in h procss.