Механические свойства дерева
нагрузки состоят из собственного веса, веса снега, толпы людей, веса машины и оборудования, давления от ветра и т. д.
Под действием нагрузок или внешних сил в частях сооружения появляются некоторые усилия. Эти усилия могут быть по своему характеру различны. Например, в стойке, поддерживающей крышу, междуэтажное перекрытие или стену, появляются усилия сжатия. Брус, лежащий на двух стенах, под нагрузкой изгибается. Затяжка висячих стропил растягивается.
Мауерлат или опорная подушка под весом стропил будет сминаться. Шпонки в составной балке скалываются. Растяжение, сжатие, изгиб, скалывание и смятие являются основными видами усилий в частях сооружений.
Весьма часто могут возникнуть одновременно растяжение и изгиб или сжатие и изгиб. Например, если к затяжке подвесить потолок, то под действием веса потолка к растяжению добавится изгиб. Стропильная нога в той же висячей ферме будет под действием веса кровли и снега изгибаться и кроме того сжиматься.
В зависимости от величины и характера усилий для каждого отдельного элемента конструкции подбираются соответствующие размеры. Кроме того, сообразуясь с усилием, следует подбирать и качество древесины. Поэтому строителя должно интересовать, какое можно допустить усилие на то или другое сечение. Для того, чтобы ответить на этот вопрос, надо, очевидно, знать, какую силу следует приложить к сечению, чтобы его разрушить. Это усилие называется разрушающим усилием или временным сопротивлением. Зная разрушающее усилие, можно, очевидно, определить и безопасное усилие, взяв его с известным запасом прочности. Безопасное усилие называется чаще допускаемым усилием. Если например стойка разрушается при грузе в 75 т, то, взяв запас -прочности равный пяти, получим, что допускаемая нагрузка равна 15 т.
Исследованием временных сопротивлений занимаются в специальных лабораториях, где на особых машинах определяют разрушающие нагрузки для различных случаев работы дерева.
При этом для упрощения относят величины временных и допускаемых усилий к единице площади сечения образца, т. е. к одному квадратному сантиметру. Если, например, при сжатии деревянный кубик сечением 2×2 см разрушается при 1200 кг, то считать что временное его сопротивление равно 1200:4 = 300 кг на 1 кв см.
В результате изучения сопротивляемости дерева оказалось, что прочность его в различных направлениях разная. Это объясняется волокнистым строением древесины. Мы уже говорили, что дерево можно представить себе в виде пучка мельчайших трубок, довольно слабо между собой связанных. Следовательно, образец, взятый для испытания, будет разно сопротивляться растяжению вдоль волокон и растяжению поперек волокон. Дадим некоторые, величины различных сопротивлений.
Временное сопротивление сжатию вдоль волокон в дереве равно около 300 — 400 кг на кв см. Это значит, что кубик размером 2×2х2 см можно разрушить силой 2×2х2×350 = 2800 кг.
Однако следует иметь в виду, что разрушающая сила будет значительно меньше при сжатии стойки. Это объясняется тем, что стойка при сжатии изгибается и ломается. Причем изгиб сжатой стойки наступит тем раньше, чем стойка длиннее. Безопасное или допускаемое усилие на 1 кв см при сжатии равно для хорошей сухой сосны около 100 кг на кв см. При длинных стойках оно быстро падает.
Поперек волокон дерево на сжатие работает значительно хуже, так как при этом получаются большие обмятия. Это происходит вследствие того, что пучок трубочек со сравнительно тонкими стенками быстро сминается.
На растяжение дерево работает лучше, чем на сжатие, примерно в два раза. Временное, сопротивление его равно около 600 — 900 кг на кв см.
Однако надо иметь в виду, что доски и бревна обыкновенно бывают с сучками, действие которых подобно действию отверстий. Растянутое сечение ослабляется при этом в зависимости от величины сучков. Очевидно, что это ослабление понижает способность сопротивляться растяжению. Поэтому допускаемое усилие должно назначаться с большим запасом прочности. Допускаемое усилие принимается для сухой хорошей сосны в 100 кг на 1 кв см.
Если попытаться растянуть дерево поперек волокон, то окажется, что в этом случае сопротивление растяжению почти отсутствует, в особенности при наличии трещин.
При изгибе бруса нижняя его часть растягивается, а верхняя сжимается. Поэтому временное сопротивление на изгиб является средней величиной между такими же сопротивлениями на сжатие и растяжение. Соответственно этому допускаемое усилие на единицу длины также равно допускаемому усилию при сжатии или растяжении. Сопротивление скалыванию является наиболее слабым местом и дереве. Как мы уже указывали, межклеточный клей обладает весьма слабыми склеивающими свойствами. Если два бруса склеить обыкновенным столярным клеем, то при раскалывании дерево будет колоться уже не по клееному шву, а рядом. Поэтому временное сопротивление образцов на скалывание вдоль волокон почти в 10 раз меньше, чем на сжатие. Еще хуже работает дерево на скалывание поперек волокон. Надо весьма внимательно относиться, поэтому ко всем частям, работающим на скалывание, выбирая для них лес без трещин, чтобы не создавать добавочных ослаблений.
Наконец, смятие дерева зависит также от того, как расположены волокна по отношению к сминающей нагрузке. В общем, сопротивление смятию немногим отличается от сопротивления сжатию. Следует иметь в виду, что величина смятия поперек подокон очень велика. Все механические сопротивления сильно зависят от породы дерева, влажности, наличия пороков и условий, в которых дерево росло. Наиболее прочным из хвойных пород является лиственница, затем идет сосна, ель, пихта. Увеличение влажности быстро уменьшает сопротивляемость дерева. Чем суше лес, тем он прочнее. Естественные пороки дерева, т. е. сучковатость, косослой, свилеватость различно влияют на различные сопротивления. Наиболее опасными они являются для растяжения и изгиба. Условия произрастания, т. е. климат, почва, затененность расположения дерева в лесонасаждении также отражаются на механической прочности. Наиболее прочным является мелкослойное дерево с большим количеством летней древесины, выросшее на сухой песчаной почве.
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:
Источник
Механические свойства древесины
К механическим свойствам древесины относятся: прочность, твёрдость, жёсткость, ударная вязкость и другие.
Прочность – способность древесины сопротивляться разрушению от механических усилий, характеризующихся пределом прочности. Прочность древесины зависит от направления действия нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков.
Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении количества связанной влаги прочность древесины уменьшается (особенно при влажности 20-25%). Дальнейшее повышение влажности за предел гигроскопичности (30%) не оказывает влияния на показатели прочности древесины. Показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины. Кроме влажности на показатели механических свойств древесины оказывает влияние и продолжительность действия нагрузок.
Вертикальные статические нагрузки – это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, её определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см² (кгс на 1 см²) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см² (кг с/см²).
Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангенциальном направлении. Различают основные виды действий сил: растяжение, сжатие, изгиб, скалывание. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в таблицах.
Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангенциальном направлении (рис. 1).
Предел прочности на растяжение. Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 1300 кгс/см². На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.
Прочность древесины при растяжении поперёк волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть от предела прочности при растяжении вдоль волокон, то есть 65 кгс/см². Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперёк волокон. Прочность древесины на растяжение поперёк волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины.
| Рис. 1. Испытание механических свойств древесины на сжатие: а – вдоль волокон; б – поперек волокон – радиально; в – поперек волокон – тангенциально. |
Предел прочности при сжатии. Различают сжатие вдоль и поперёк волокон. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. Разрушение при сжатии начинается с продольного изгиба отдельных волокон, которое во влажных образцах из мягких и вязких пород проявляется как смятие торцов и выпучивание боков, а в сухих образцах и в твёрдой древесине вызывает сдвиг одной части образца относительно другой.
Средняя величина предела прочности при сжатии вдоль волокон для всех пород составляет 500 кгс/см².
Прочность древесины при сжатии поперёк волокон ниже, чем вдоль волокон примерно в 8 раз. При сжатии поперёк волокон не всегда можно точно установить момент разрушения древесины и определить величину разрушающего груза.
Древесину испытывают на сжатие поперёк волокон в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами (дуб, бук, граб) прочность при радиальном сжатии выше в полтора раза, чем при тангенциальном; у хвойных – наоборот, прочность выше при тангенциальном сжатии.
| Рис. 2. Испытание механических свойств древесины на изгиб. |
Предел прочности при статическом изгибе. При изгибе, особенно при сосредоточенных нагрузках, верхние слои древесины испытывают напряжение сжатия, а нижние – растяжения вдоль волокон. Примерно посередине высоты элемента проходит плоскость, в которой нет ни напряжения сжатия, ни напряжения растяжения. Эту плоскость называют нейтральной; в ней возникают максимальные касательные напряжения. Предел прочности при сжатии меньше, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон. Предел прочности древесины зависит от породы и влажности. В среднем для всех пород прочность при изгибе составляет 1000 кгс/см², то есть в 2 раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.
| Рис. 3. Сдвиг древесины: а – вдоль волокон; б – перпендикулярно волокнам. |
| Рис. 4. Сдвиг деталей: а – обыкновенный; б – двойной. |
Прочность древесины при сдвиге. Внешние силы, вызывающие перемещение одной части детали по отношению к другой, называют сдвигом. Различают три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, поперёк волокон и перерезание.
Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород, имеющих широкие сердцевинные лучи (бук, дуб, граб), прочность на скалывание по тангенциальной плоскости на 10-30% выше, чем по радиальной.
Предел прочности при скалывании поперёк волокон примерно в два раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность древесины при перерезании поперёк волокон в четыре раза выше прочности при скалывании.
| Рис. 5. Направление сил в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой: 1 – сдвиг на скалывание; 2 – сжатие; 3 – растяжение; 4 – изгиб; 5 – сжатие. |
Твёрдость — это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определённой формы. Твёрдость торцовой поверхности выше твёрдости боковой поверхности (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% у хвойных. По степени твёрдости все древесные породы можно разделить на три группы: 1) мягкие – торцовая твёрдость 40 МПа и менее (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан); 2) твёрдые – торцовая твёрдость 40,1-80 МПа (лиственница, сибирская берёза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клён, лещина, орех грецкий, хурма, яблоня, ясень); 3) очень твёрдые – торцовая твёрдость более 80 МПа (акация белая, берёза железная, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).
Твёрдость древесины имеет существенное значение при обработке её режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве полов, лестниц перил.
Твёрдость древесины
Эбеновое дерево
Источник