Механические свойства пород дерева

Механические свойства древесины

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, ее определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см² (кгс на 1 см²) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см² (кгс/см²).

Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангентальном направлении.

По направлению действия силы (нагрузок) различают прочность древесины на сжатие, изгиб, скалывание, растяжение. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в табл. 1. 3.

Таблица 1 Основные технические свойства различных древесных пород

Порода дерева	Коэффициент усушки, %		Механическая прочность для древесины с 15 % — ной влажностью, МПа (кгс/см²)
	в радиальном направлении	в тангентальном направлении	на сжатие вдоль волокон	на изгиб	скалывание
					в радиальной плоскости	в тангентальной плоскости
Хвойные древесные породы
Сосна	0,18	0,33	43,9	79,3	6,9 (68)	7,3 (73)
Ель	0,14	0,24	42,3	74,4	5,3 (53)	5,2 (52)
Лиственница	0,22	0,40	51,1	97,3	8,3 (83)	7,2 (72)
Пихта	0,9	0,33	33,7	51,9	4,7 (47)	5,3 (53)
Твердолиственные древесные породы
Дуб	0,18	0,28	52,0	93,5	8,5 (85)	10,4 (104)
Ясень	0,19	0,30	51,0	115	13,8 (138)	13,3 (133)
Береза	0,26	0,31	44,7	99,7	8,5 (85)	11 (110)
Клен	0,21	0,34	54,0	109,7	8,7 (87)	12,4 (124)
Ильм	0,22	0,44	48,6	105,7	—	13,8 (138)
Вяз	0,15	0,32	38,9	85,2	7 (70)	7,7 (77)
Мягколиственные древесные породы
Осина	0,2	0,32	37,4	76,6	5,7 (57)	7,7 (77)
Липа	0,26	0,39	39	68	7,3 (73)	8 (80)
Черная ольха	0,16	0,23	36,8	69,2	—	—
Черная осина	0,16	0,31	35,1	60	5,8 (58)	7,4 (74)

Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангентальном направлении (рис. 1).

Испытание механических свойств древесины на сжатие

а — вдоль волокон; 6 — поперек волокон — радиально; в — поперек волокон — тангентально
Рис. 1

Строительные нормы и правила в зависимости от пороков делят деревянные конструкции на три категории.

Предел прочности древесины на сжатие вдоль волокон высок у всех пород. Поперек волокон он значительно меньше.

Для хвойных твердо- и мягколиственных пород нормативную сопротивляемость рассчитывают по коэффициентам табл. 2.

Таблица 2. Нормативная сопротивляемость чистой древесины сосны и ели

Вид сопротивления и характеристика элементов, находящихся под нагрузкой	МПа (кгс/см²)
Сопротивление статическому изгибу R 1 :
для элементов, изготовленных из круглого леса с неослабленным поперечным сечением	16 (160)
для элементов с прямоугольным сечением (ширина 14 см, высота — 50 см)	15 (150)
для остальных элементов	13 (130)
Сопротивляемость сжатию R сж и поверхностному сжатию R п.сж. :
R п.сж. вдоль волокон	13 (130)
в плоскости, паралельной направлению волокон R п.сж.пл.	1,8 (18)
Сопротивление сжатию местной поверхности R п.сж. :
поперек волокон в опорных местах конструкции	2,4 (24)
в опорных зарубках	3 (30)
под металлическими подкладками (если углы приложения силы 90. 60º)	4 (40)
Сопротивляемость растяжению вдоль волокон R раст.в. :
для элементов с неослабленным поперечным сечением	10 (100)
для элементов с ослабленным поперечным сечением	8 (80)
Сопротивляемость раскалыванию вдоль волокон R раск.в.	2,4 (24)
Сопротивляемость раскалыванию поперек волокон R раск.п.	1,2 (12)

Таблица 3 Твердость древесины различных пород

Порода дерева	Твердость, МПа (кгс/см²)
	для поверхности поперечного разреза	для поверхности радиального разреза	для поверхности тагентального разреза
Липа	19,0 (190)	16,4 (164)	16,4 (164)
Ель	22,4 (224)	18,2 (18,2)	18,4 (184)
Осина	24,7 (247)	17,8 (178)	18,4 (184)
Сосна	27,0 (270)	24,4 (244)	26,2 (262)
Лиственница	37,7 (377)	28,0 (280)	27,8 (278)
Береза	39,2 (392)	29,8 (298)	29,8 (298)
Бук	57,1 (571)	37,9 (379)	40,2 (402)
Дуб	62,2 (622)	52,1 (521)	46,3 (463)
Граб	83,5 (835)	61,5 (615)	63,5 (635)

Древесина работает на изгиб с опорой в середине (рис. 2, а) (доска-качель), с закрепленным концом (рис. 2, б) (балка балкона), с опорами на концах (рис. 2, в) (балки перекрытия). Во всех случаях конструкции подвержены растяжению и сжатию. В двух первых вариантах верхний слой конструкции растянут, а нижний — сжат, в третьем варианте — верхний слой сжат, а нижний растянут. В первом и третьем вариантах от воздействия критического момента разрушение произойдет в середине детали, во втором варианте — в месте ее закрепления. Во всех вариантах изгиба граница действия сил сжатия и растяжения проходит через ось в центре конструкции. Ее называют нейтральным слоем, так как здесь отсутствуют силы сжатия и растяжения, но действуют силы сдвига.

Испытание механических свойств древесины на изгиб

Предел прочности древесины на сдвиг (скалывание) — это способность ее сопротивляться перемещению вдоль и поперек волокон (рис. 3, а, б,). Прочность на скалывание поперек волокон больше, чем вдоль волокон.

Сдвиг древесины

а — вдоль волокон; б — перпендикулярно волокнам
Рис. 3

Прочность забитых гвоздей при растяжении зависит от вида сопряжения детали (рис. 4). В первом случае оно в два раза меньше, чем при двойном.

Сдвиг деталей

а — обыкновенный; б — двойной
Рис. 4

Скалывание в деревянных конструкциях в узлах фермы действует совместно с силами на сжатие и изгиб. Направления сил в деревянной конструкции показаны на рис. 5.

Направление сип в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой

1 — сдвиг на скалывание; 2 — сжатие; 3 — растяжение; 4 — изгиб; 5 — сжатие
Рис. 5

Прочность древесины зависит от влажности и объемной массы. При увеличении влажности ее прочность уменьшается. Плотная сухая древесина более прочная, чем легкая и рыхлая. Неодинакова прочность древесины в различных местах ствола. Наиболее прочна древесина комлевой части ствола, имеющая большую объемную массу. На каждые 6 м предел прочности древесины (от комля к вершине) снижается на 8%.

Для древесины характерны эластичность и пластичность. Эластичность используется в рукоятках ручных инструментов, уменьшающих силу удара, например в ручке стамески.

Пластичность — способность древесины сохранять приданную ей форму после снятия приложенной нагрузки. Влажность и повышение температуры древесины увеличивают пластичность. Обработка древесины паром или горячей водой увеличивает ее пластичность, что находит применение в производстве гнутой мебели, лыж. Высокая пластичность у бука, вяза, дуба, ясеня, меньшая пластичность у хвойных пород из-за прямолинейной структуры волокон.

Хрупкость — это свойство древесины внезапно разрушаться под воздействием нагрузки. Хрупкой древесины не существует, это объясняется ее волокнистым строением.

Твердость древесины — это способность сопротивляться внедрению инородного тела. Увеличение объемной массы древесины повышает ее твердость и увеличивает трудоемкость обработки.

С увеличением влажности твердость древесины уменьшается. По твердости древесину подразделяют на твердую и мягкую. Твердые породы: граб, бук, дуб, клен, ясень, вяз, груша, орешник, ильм, лиственница и др., а наиболее твердые самшит и акация; мягкие: липа, ель, сосна, ольха и др.

Износостойкость — это способность древесины противостоять нагрузкам, возникающим в процессе трения (при эксплуатации полов, лестниц).

Износ древесины определяется стиранием поверхности при механических нагрузках в процессе эксплуатации и зависит от твердости и объемного веса древесины.

Источник

2.3. Физические и механические свойства древесины

Физические и механические свойства древесины определяют способы ее переработки в строительные материалы и изделия, облас­ти применения и условия эксплуатации деревянных конструкций. К физическим свойствам древесины относятся: влажность, усушка, раз­бухание, истинная и средняя плотность, пористость, теплопровод­ность и др. (табл. 2.1).

Среднее значение физических свойств основных хвойных и лиственных пород (при влажности 12%)

Среднее число годовых слоев в 1 см

Для отделочных материалов немаловажную роль играют эсте­тические характеристики: цвет, блеск, текстура. Для древесины как конструкционного материала основными являются механические свойства: прочность на растяжение и сжатие (вдоль и поперек воло­кон), изгиб, сдвиг и др. Важными являются и технологические свой­ства древесины: легкость обработки различными инструментами, способность удерживать металлические крепления, хорошая окрашинаемость и склеиваемость и др.

Влажность (W, %) — количество воды, содержащееся в данный момент в древесине. Различают три вида влаги в древесине: капил­лярную (свободную), содержащуюся в полости клеток и межклеточном пространстве, гигроскопическую, находящуюся в стенках клеток, и химически связанную, входящую в химический состав веществ, из ко­торых состоит древесина. По степени влажности древесину разделяют на мокрую, долго находившуюся в воде (W = 100% и более); свеже­срубленную (W = 35. 100%); воздушно-сухую (W = 15. 20%); комнатносухую (W = 8. 13%); абсолютно сухую (W = 0). Условно стандартной считают влажность, равную 12%. Все характеристики, полученные при определении плотности и прочности, должны быть приведены к стандартной влажности. В строительстве разрешается применять древесину с влажностью не более 20%. Однако следует учитывать, что повышенная влажность в древесине способствует поражению древе­сины плесенью, грибами, приводит к короблению, усушке и растрес­киванию деревянных деталей и конструкций.

Гигроскопичностью древесины называют ее способность по­глощать водяные пары из воздуха. Сухая древесина поглощает влагу, а влажная отдает влагу окружающему воздуху. Так как влажность воздуха не постоянна, то и влажность древесины также меняется. Равновесной называют влажность, которую получила древесина при длительном нахождении на воздухе при постоянной температуре и относительной влажности.

Усушкой древесины называют уменьшение ее линейных разме­ров и объема, происходящее при испарении из нее гигроскопической влаги.

Разбуханием древесины называют увеличение ее размеров и объема при поглощении гигроскопической влаги (оболочками кле­ток). Испарение капиллярной влаги не сопровождается усушкой, так же как и поглощение влаги клетками не сопровождается набуханием древесины.

Различают линейную и объемную усушку. Вследствие неодно­родности строения древесина усыхает или разбухает в различных на­правлениях неодинаково.

Обычно линейная усушка древесины бывает в пределах 0,1…0,3%, в радиальном направлении— 3. 6, в тангентальном — 7. 12%. Коэффициент объемной усушки в зависимости от породы де­рева колеблется в пределах 0,2. 0,75%. Неравномерная усушка древесины в различных направлениях вызывает коробление и обра­зование трещин. Это в свою очередь уменьшает прочность древесины, снижает ее качество. В строительной практике усушка древесины вы­зывает образование щелей между деревянными конструктивными элементами, а разбухание приводит к выпучиванию.

Для уменьшения водопоглощения и гигроскопичности древеси­ны поверхность деревянных изделий покрывают лакокрасочными материалами.

Истинная плотность древесины для всех пород примерно оди­накова и равна 1,55 г/см 3 .

Средняя плотность у разных древесных пород различна. Вели­чина средней плотности зависит от строения древесины, пористости, влажности, условий роста и других факторов. Древесина сосны имеет среднюю плотность 500 кг/м 3 , дуба — 700 кг/м 3 .

Пористость древесины значительная, у разных пород колеблет­ся в широком интервале: для хвойных пород — от 46 до 85%, лист­венных — от 32 до 82%.

Механические свойства древесины зависят прежде всего от ее плотности, влажности и наличия пороков. Древесина большой плот­ности имеет более высокую прочность. При увеличении влажности от 8 до 30% снижается прочность и твердость древесных материалов и, наоборот, уменьшение количества влаги в рассматриваемых мате­риалах, например от 20 до 8%, заметно повышает их механические характеристики. На прочность древесины влияет процент поздней древесины, наличие пороков, гнили.

Прочность древесины характеризуется пределами прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе и скалывании (табл. 2.2).

Источник