Зависимость геометрических размеров доски из лиственницы от ее влажности
Для строительства террас и модной отделки домов планкеном и строганной доской очень важным является вопрос усушки и разбухания древесины. Это связано в первую очередь с эстетичностью отделки здания. Согласитесь, ведь никому не хочется видеть вспученный пол или огромные щели, образуемые после сдачи объекта спустя месяц другой. Если на внутреннюю отделку стен вагонкой или планкеном влажность окружающей среды оказывает незначительное влияние, то вопрос усушки и разбухания древесины на открытом воздухе очень актуален. Как правило, между террасными досками и планкеном устанавливается определенный зазор. В каждом конкретном случае встает ребром вопрос, какой зазор выбрать? С одной стороны просушка фасада или террасы после дождя требует максимального зазора, т.к. чем больше зазор, тем быстрее высохнет конструкция. С другой стороны, если в образовавшуюся щель можно пропихнуть большой палец ноги, то, наверное, существенно будет страдать внешний вид всей конструкции. Так как наиболее популярной древесиной, применяемой при строительстве террас и внешней отделке домов, является лиственница, рассмотрим изменение геометрических размеров доски в зависимости от влажности на примере данной породы.
Очень важным для правильного выбора зазора при строительстве является решение следующих вопросов:
- начальная влажность древесины лиственницы на момент монтажа,
- время года, выбранное для монтажа (температура, влажность).
Если со временем года фактически все понятно — лето, т.к. это основное время для строительных работ, то с влажностью древесины вопрос очень актуален.
Несколько слов об изменении влажности древесины. Колебание влажности древесины вполне естественный процесс, вызванный колебанием влажности окружающего воздуха. Для древесины, используемой для внутренней отделки, влажность может колебаться от 6% (зима- весна, отопительный сезон) до 10% (лето-осень). С целью поддержания стабильного влажностного режима в помещении в зимне-весенний период необходимо применять специальные увлажнители воздуха. Древесина, используемая для внешней отделки домов и строительства террас, беседок, навесов, пергол имеет несколько другую влажность — от 8% (сухая летняя погода) до 30% (осень, дожди). Тридцати процентная влажность древесины известна как предел гигроскопичности древесины, т.е. древесина, находящаяся на улице выше этого предела, как правило, влажность не имеет.
Обычно деревянные погонажные изделия, производимые для строительно-отделочных работ, имеют влажность от 8 до 16% (для внутренней отделки — 8-12%, для внешней отделки — 12-16%). Это обусловлено технологическими особенностями производства, т.к. меньшая влажность просто не нужна — древесина на открытом воздухе будет разбухать. При большей влажности строжка древесины не дает требуемого качества — погонажное изделие выпускается «с поднятым ворсом» шероховатым.
Таким образом, вопрос с усушкой и разбуханием древесины является очень актуальным.
Приведем формализованное описание процесса изменения геометрических размеров древесины лиственницы в зависимости ее влажности.
Усушкой древесины лиственницы называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании.
Усушка древесины лиственницы начинается после испарения всей свободной влаги и в момент испарения связанной влаги, т.е. при влажности древесины меньше влажности, соответствующей пределу гигроскопичности (меньше 30%).
Усушка древесины в различных направлениях (вдоль волокон, в радиальном, тангенциальном ) неодинакова. Так, полная усушка древесины (усушка при изменении влажности от предела гигроскопичности до абсолютно сухого состояния) вдоль волокон составляет 0,1-0,3%, в радиальном направлении 3-5% и в тангенциальном 6-10%. Объемная усушка в среднем составляет 12-15%.
При вычислении усушки уменьшение размеров и объема древесины в результате испарения связанной влаги, т.е. ее влажностная деформация, относится в отличие от разбухания к размерам и объему до высушивания, что соответствует правилу выражать изменение любой величины в процентах к ее первоначальному значению.
Усушку древесины в процентах с точностью до 0,05% вычисляют по формулам:
усушка по тангенциальному направлению
усушка по радиальному направлению
Источник
Зависимость механических показателей древесины от влажности и температуры
Рис. 1. Диаграмма равновесной влажности древесины
В древесине следует различать свободную влагу, находящуюся в полостях клеток, и связанную влагу, пропитывающую стенки клеток. Свободная влага находится только в древесине, влагосодержание которой более 30%. Удаление этой влаги не приводит к изменению размеров и формы пиломатериалов. Связанная влага содержится в древесине с влажностью до 30%. Эту величину называют пределом гигроскопичности. Удаление связанной влаги приводит к усушке и деформированию пиломатериалов. При последующем увлажнении наблюдается обратный процесс — разбухание пиломатериалов.
Изменение размеров деталей при изменении влажности древесины происходит в разных направлениях неодинаково. Наибольшие усушка/разбухание наблюдаются в тангенциальном направлении (по касательной к годовым слоям), минимальные — в направлении вдоль волокон. Все эти особенности древесины как строительного материала учитываются при проектировании и эксплуатации изделий из нее.
Таблица 1. Коэффициенты для расчета поправочных
коэффициентов на влажность и температуру
В атмосферных или комнатных условиях нельзя жестко зафиксировать нужную влажность древесины. Дело в том, что она всегда стремится к равновесию с температурой и влажностью воздуха, в котором эксплуатируются изделия. При изменении температурно-влажностных условий эксплуатации меняется и влажность древесины (рис. 1). Данные диаграммы показывают, что с повышением относительной влажности воздуха и с понижением температуры равновесная влажность древесины будет повышаться, что приведет к ее разбуханию. Обратные процессы ведут к усушке древесины, что часто вызывает не только изменение линейных размеров, но и коробление деревянных деталей.
Рис. 2. Зависимость пересчетных коэффициентов от
влажности для предела проч ности древесины при
изгибе при температуре 0, 20 и 40°С
Коэффициенты разбухания составляют в тангенциальном направлении примерно 0,2-0,4% на 1% изменения влажности. В радиальном направлении они в полтора-два раза ниже, а вдоль волокон разбухание почти отсутствует. Нетрудно подсчитать, что при ширине детали, например, в 600 мм и увеличении влажности на 10% увеличение ширины может составить примерно 4%, или 24 мм!
Увеличение влажности, кроме того, влечет за собой снижение всех показателей прочности и упругости материала. Степень снижения оценивается поправочными коэффициентами, которые показывают, насколько снижается показатель древесины при увеличении ее влажности на 1%.
Таблицы поправочных коэффициентов на влажность можно найти в справочной литературе [1, 2, 3]. Влияние температуры на показатели древесины проявляется довольно слабо и может выражаться линейной зависимостью. Совместное влияние двух факторов может быть описано такой формулой:
Таблица 2. Пересчетные коэффициенты на влажность и
температуру
где: Y T W— пересчетный показатель для текущей влажности W и температуры Т древесины; Ymin — показатель древесины при влажности более 30% в долях 1, за которую принят показатель при влажности 0% и температуре 0°С; kT — температурный коэффициент, показывающий, на какую долю снижается показатель древесины при увеличении температуры на 1°С; с — эмпирический коэффициент.
Коэффициенты, входящие в эту обобщенную формулу, приведены в табл. 1. Они рассчитаны на основании богатой базы данных по отечественным древесным породам, породам США и Канады, а также тропическим породам. Эти коэффициенты не зависят от плотности древесины и действительны для всех древесных пород.
Величина Ymin показывает, насколько уменьшается прочность древесины при ее полном увлажнении по сравнению с показателем для абсолютно сухой древесины. Это снижение очень существенно. Прочность сырой древесины составляет всего 35-55% от прочности абсолютно сухой древесины.
На рис. 2 приведены графики зависимости пересчетных коэффициентов от влажности при температуре от 0 до 40°С применительно к пределу прочности при изгибе.
Для облегчения расчетов составлены таблицы пересчетных коэффициентов для четырех показателей древесины (табл. 2) для диапазона влажности до 40% и температуры до 40°С.
Пример пользования таблицей пересчетных коэффициентов
Предположим, что предел прочности при изгибе определен при влажности древесины 10% и температуре древесины 20°С. Полученный результат составил 45,0 МПа. Требуется пересчитать этот предел прочности на условия эксплуатации древесины: влажность древесины — 15% и температура — 25°С. Пересчетный коэффициент для условий испытаний составляет 0,781; для условий эксплуатации — 0,639 (см. табл. 2). Следовательно, искомый результат равен 45,0 х (0,639 / 0,781) = 36,8 МПа.
Следует заметить, что все справочные данные, на основе которых сделаны наши расчеты, получены для малых чистых образцов. Для настоящих пиломатериалов с пороками типа сучков влияние влажности на прочность носит более мягкий характер. Дело в том, что увлажнение древесины увеличивает ее пластические свойства, и концентрация напряжений в зоне структурных неоднородностей снижается. В результате степень снижения прочности при увлажнении древесины с сучками будет несколько меньше, чем у бездефектной древесины.
1. Боровиков А. М., Уголев Б. Н. Справочник по древесине. — М.: Лесная промышленность, 1989. — 294 с.
2. Руководящие технические материалы (РТМ) «Древесина. Показатели физико-механических свойств». — Архангельск: ЦНИИМОД, 1974. — 112 с.
3. Справочное руководство по древесине / пер. с англ. — М.: Лесная промышленность, 1979. — 544 с.
Источник