Расчетное сопротивление древесины. Свойства древесины
При проектировании, разработке или изготовлении конструкций из дерева важно знать прочностные свойства материала — расчетное сопротивление древесины, которые измеряется как один килограмм на квадратный сантиметр. Для изучения показателей используют образцы стандартных размеров, выпиленные из досок или бруса необходимого сорта, не имеющие внешних дефектов, сучков и иных пороков. Далее, образец проверяет на сопротивление сжатию, изгибу, растяжению.
Виды древесины
Дерево — универсальный материал, который легко поддается обработке и используется в разных сферах производства: строительство, изготовление мебели, посуды и других элементов быта. Область применения зависит от вида древесины с разными физическим, химическими и механическими свойствами. В строительстве особой популярностью пользуются такие хвойные породы, как ель, кедр, сосна, лиственница, пихта. В меньшей степени лиственные деревья — береза, тополь, осина, дуб, орешник, липа, ольха, бук.
Хвойные сорта используют в виде кругляка, бруса, досок для изготовления опорных свай, ферм, столбов, мостов, домов, арок, промышленных объектов, а также других строительных конструкций. На материалы из лиственных пород приходится лишь четверть всего объема потребления. Это связано с худшими физико-механическими свойствами лиственных лесоматериалов, поэтому их стараются применять для изготовления конструкций с незначительным несущими нагрузками. Обычно они идут на черновые и временные узлы объектов.
Применение лесоматериалов в строительстве регламентируется правилами в соответствии с физико-механическими свойствами дерева. Эти свойства зависят от влажности и наличия дефектов. Для несущих элементов влажность не должна превышать 25%, для остальных изделий таких требований не существует, но существуют нормы для конкретных пороков древесины.
Химический состав
В 99% массы древесины входят органические вещества. Состав же элементарных частиц для всех пород одинаковый: азот, кислород, углерод и водород. Они образуют длинные цепочки более сложных молекул. Древесина состоит из:
- Целлюлозы — природного полимера с высокой степенью полимеризации цепных молекул. Очень стойкое вещество, не растворяется ни в воде, ни в спирте, ни в эфире.
- Лигнина — ароматического полимера со сложным строением молекул. Содержит большое количество углерода. Благодаря нему появляется одревеснение стволов деревьев.
- Гемицеллюлозы — аналог обычной целлюлозы, но с меньшей степенью полимеризации цепных молекул.
- Экстрактивные вещества — смолы, камеди, жиры и пектины.
Большое содержание смол в хвойных деревьях консервирует материал и позволяет сохранять первоначальные свойства на протяжении долго времени, помогая сопротивляться внешнему воздействию. Низкосортные лесоматериалы с большим количеством дефектов используют в основном в лесохимической промышленности в качестве сырья для изготовления бумаги, клееной древесины или добычи химических элементов как, например, дубильные вещества, применяемые в производстве кожи.
Внешний вид
Древесина имеет следующие внешние свойства:
- Цвет. Зрительное восприятие отраженного спектрального состава света. Важен при выборе пиловочника в качестве отделочного материала.
- Окраска зависит от возраста и породы дерева, а также климатических условий, где оно выросло.
- Блеск. Способность отражать свет. Наибольший показатель отмечают у дуба, ясени, акации.
- Текстура. Рисунок, образуемый годичными кольцами ствола.
- Микроструктура. Определяется по ширине колец и содержанию поздней древесины.
Показатели используют при внешней оценке качества лесозаготовок. Визуальный осмотр позволяет выявить дефекты и пригодность материалов для последующего использования.
Дефекты древесины
Несмотря на явные преимущества перед синтезированными материалами, дерево, как любое природное сырье, имеет свои недостатки. Наличие, степень и область поражения регламентируется нормативными документами. К основным порокам древесины относят:
- поражение, гнилью, грибками и вредителями;
- косослой;
- смоляные кармашки;
- сучки;
- трещины.
Сучковатость снижает прочность лесоматериалов, особое значение имеет их количество, размеры и расположение. Сучки подразделяют на виды:
- Здоровые. Плотно срастаются с телом дерева и крепко сидят в карманах, не имеют гнили.
- Выпадающие. Отслаиваются и отваливаются после распиловки материала.
- Роговые. Темного цвета и имеют более плотную структуру по отношению к соседней древесине;
- Потемневшие. Сучки с начальной стадией гниения.
- Рыхлые — загнившие.
По месту положения сучки разделяют на:
Косослой также снижает прочность древесины на изгибе и характеризуется присутствием трещин и спиральных слоев в кругляке, в пиловочном материале они направлены под углом к ребрам. Изделия с таким дефектом относятся к низкосортным, используются исключительно в качестве временных укреплений.
Причины появления трещин зависят от внешних условий и породы древесины. Образуются они в результате неравномерного высыхания, морозов, механических нагрузок и многих других факторов. Появляются они как на живых деревьях, так и на спиленных. В зависимости от положения на стволе и формы, трещины называют:
Трещины не только снижают качество древесины, но также способствуют быстрому гниению и разрушению волокон.
Гниль образуется вследствие заражения гнилостными и другими видами грибков, которые появляются на растущих и спиленных деревьях. Грибы, обитающие на живых стволах, являются паразитирующими, которые поражают годовые кольца и вызывают их отслаивание. Другие виды селятся уже на готовых конструкциях и вызывают гниение, расслаивание, растрескивание.
Причиной появления вредоносных организмов является благоприятная среда для их размножения: влажность более 50% и тепло. На хорошо просушенных лесоматериалах микроорганизмы не развиваются. К особой категории вредителей следует отнести насекомых, которые предпочитают селиться в деревянных конструкциях, делая ходы в них, тем самым повреждая волокна и снижая их прочность.
Влажность древесины
Один из важных показателей для нормативного и расчетного сопротивления древесины. Он влияет на процентное содержание воды в волокнах ствола. Влажность — процентное отношение массы влаги к сухому материалу. Формула расчета выглядит так: W = (m–m0)/m0 * 100, где m — исходная масса заготовки, m0 — масса абсолютного сухого образца. Определяют влажность двумя способами: путем высушивания и с помощью специальных электронных влагомеров.
По влажности древесину разделяют на несколько видов:
- Мокрая. С содержанием влаги более 100%, что соответствует длительному нахождению в воде.
- Свежеспиленная. С содержанием от 50 до 100 %.
- Воздушно-сухая. С содержанием воды в волокнах в диапазоне от 15 до 20 %.
- Комнатная-сухая. С содержанием влаги от 8 до 12 %.
- Абсолютно сухая. С 0 % содержанием воды, получаемая путем сушки при температуре в 102°.
Вода находится в дереве в связанном и в свободном виде. Свободная влага находится в клетках и межклеточном пространстве, связанная — в виде химических связей.
Влияние влаги на свойства древесины
Выделяют несколько видов свойств, зависящих от содержания влаги в древесной структуре:
- Усушка — уменьшение в объеме волокон древесной массы при удалении из них связанной воды. Чем больше волокон, тем больше влаги связанного типа. Удаления влаги такого эффекта не дает.
- Коробление — изменение формы лесоматериалов в процессе высушивания. Происходит при неправильной сушке или распиловке бревен.
- Влагопоглощение — гигроскопичность дерева или способность впитывать влагу из окружающей среды.
- Разбухание — увеличение в объеме древесных волокон при нахождении материала во влажной среде.
- Водопоглащение — способность древесины увеличивать собственную влажность путем впитывания капельной жидкости.
- Плотность — измеряется как масса на единицу объема. С повышением влажности увеличивается плотность, и наоборот.
- Проницаемость — способность пропускать через себя воду под большим давлением.
После сушки дерево теряет свою природную эластичность и становится более твердым.
Твердость
Коэффициент твердости определяют с помощью метода Бринелля или теста Янки. Их принципиальное отличие заключается в методике измерений. По Бринеллю шарик из закаленной стали устанавливают на ровную, деревянную поверхность и прикладывают к нему 100 килограмм-силы, после замеряют глубину полученной лунки.
В тесте Янки используют шарик диаметром 0,4 дюйма и измеряют, какое количество силы в фунтах нужно приложить, чтобы вдавить шарик в дерево на половину диаметра. Соответственно, чем выше полученный результат, тем тверже дерево и больше коэффициент. Однако в пределах одного сорта показатели отличаются, которые зависят от способа распила, влажности и других факторов.
Ниже приведена таблица твердости древесины по Бринеллю и Янки для наиболее распространенных пород.
Твердость по Бринеллю, кг/мм2
Источник
1. Временное, нормативное и расчетное сопротивления древесины
З а исходные характеристики прочности древесины принимаются показатели временного сопротивления, полученные на основании испытаний малых образцов из чистой древесины или крупных образцов из пиломатериалов и круглого леса. Второй способ не применим при определении прочностных характеристик в реальных конструкциях, когда невозможно выпилить крупные образцы.
На основании проведенных испытаний малых образцов строится гистограмма, а затем график распределения прочности, который подчиняется нормальному закону распределения Гаусса. По графику определяется среднее временное сопротивление (предел прочности) по формуле . СНиП II-25-80 рекомендует определять с обеспеченностью 95%, при этом, учитывая опыт эксплуатации, — величина, зависящая от принятого уровня обеспеченности и вида функции плотности распределения показателей. Тогда нормативные значения малых образцов из чистой древесины определяются из условия
где — коэффициент вариаций;
отклонение от среднеарифметического значения;
Переход от показателей прочности малых стандартных образцов из чистой древесины к прочности натуральных пиломатериалов осуществляется путем введения соответствующих понижающих коэффициентов, учитывающих влияние пороков и увеличение размеров рабочего сечения .
Коэффициенты и определяются на основании полученных опытным путем зависимостей:
1. с учетом расположения сучков отношение площадей при сжатии и растяжении; отношение моментов инерции при изгибе. Найденные значения зависят не только от сортности материала, но и от вида напряженного состояния и изменяются в пределах от 0,2 до 0,78.
2. по данным сравнительных испытаний малых и больших образцов из чистой древесины. Значения коэффициента колеблются в пределах от 0,6 до 0,95.
Нормативное сопротивление натуральных сортных лесоматериалов находится из равенства
Учитывая, что доверительная вероятность (обеспеченность) расчетного сопротивления должна быть выше, чем нормативного сопротивления (по СНиП 99%), вводится коэффициент надежности. Расчетное сопротивление определится по формуле
где коэффициент надежности по материалу, учитывающий отклонение в сторону меньших значений прочности материала с более высокой обеспеченностью, чем нормативные значения.
коэффициент, учитывающий степень ответственности строительного объекта;
mдл — коэффициент, учитывающий влияние длительности приложения нагрузки, т.е. коэффициент перехода от прочности древесины при кратковременных испытаниях к ее прочности в условиях длительно действующих постоянных и временных нагрузок за весь срок службы конструкций (mдл=0,66).
Влияние на прочность материала условий эксплуатации и особенностей работы, отличающихся от принятых для базовых расчетных сопротивлений, учитывается умножением на коэффициенты условий работы:
коэффициент, учитывающий различную прочность древесины разных пород, отличающихся от прочности сосны и ели;
коэффициенты, учитывающие температурно-влажностный режим эксплуатации, в зависимости от которого все здания и сооружения делятся на категории: отапливаемые помещения с температурой до 35°С с различной влажностью, внутри не отапливаемых помещений с различной влажностью; на открытом воздухе; повышенная влажность;
и коэффициенты, учитывающие характер и режим нагружения;
и влияние размеров сечения и его составных частей;
и влияние начальных напряжений, концентрации напряжений;
снижение прочности древесины при пропитке некоторыми защитными средствами.
Источник