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:
- сшивные;
- лапчатые;
- заросшие;
- пасынки.
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:
- морозобойными;
- серницей;
- метиками;
- усушечными.
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.
| Наименование | Твердость по Бринеллю, кг/мм2 | Твердость по Янки, фунты |
| Акация | 7,1 | |
| Береза | 3 | 1260 |
| Береза карельская | 3,5 | 1800 |
| Вяз | 3 | 1350 |
| Груша | 4,2 | |
| Дуб | 3,7-3,9 | 1360 |
| Ель | 660 | |
| Липа | 400 | |
| Лиственница | 2,5 | 1200 |
| Ольха | 3 | 590 |
| Орех европейский | 5 | |
| Орех испанский | 3,5 | |
| Осина | 420 | |
| Пихта | 350-500 | |
| Рябина | 830 | |
| Сосна | 2,5 | 380-1240 |
| Черешня | 3,5 | |
| Яблоня | 1730 | |
| Ясень | 4-4,1 | 1320 |
Из таблицы твердости древесины видно, что:
- осина, ель пихта, сосна — очень мягкие деревья;
- береза, липа, ольха и лиственница — мягкие породы;
- вяз и орех обладают средней твердостью;
- дуб, яблоня, вишня ясень, груша и имеют коэффициент обычной твердости;
- бук, белая акация и тис относятся к очень твердым сортам.
Твердая древесина обладает стойкостью к механическим воздействиям и используется для ответственных узлов деревянных конструкций.
Плотность
Плотность напрямую зависит от содержания влаги в волокнах. Поэтому для получения однородных показателей измерений, ее высушивают до уровня 12 %. Увеличение плотности древесины приводит к увеличению ее массы и прочности. По влажности лесоматериал делят на несколько групп:
- Породы с наименьшей плотностью (до 510 кг/м3). К ним относят пихту, сосну, ель, тополь, кедр, иву и орех.
- Породы со средней плотностью (в диапазоне 540-750 кг/м3). Сюда относят лиственницу, тис, вяз, березу, бук, грушу, дуб, ясень, рябину, яблоню.
- Породы с высокой плотностью (более 750 кг/м3). В эту категорию входят береза и акция.
Ниже приводится таблица плотности для разных пород деревьев.
| Наименование породы | Плотность породы, кг/м3 |
| Акация | 830 |
| Береза | 540-700 |
| Карельская береза | 640-800 |
| Бук | 650-700 |
| Вишня | 490-670 |
| Вяз | 670-710 |
| Груша | 690-800 |
| Дуб | 600-930 |
| Ель | 400-500 |
| Ива | 460 |
| Кедр | 580-770 |
| Европейский клен | 530-650 |
| Канадский клен | 530-720 |
| полевой клен | 670 |
| Лиственница | 950-1020 |
| Ольха | 380-640 |
| Орех грецкий | 500-650 |
| Осина | 360-560 |
| Пихта | 350-450 |
| Рябина | 700-810 |
| Сирень | 800 |
| Слива | 800 |
| Сосна | 400-500 |
| Тополь | 400-500 |
| Туя | 340-390 |
| Черемуха | 580-740 |
| Черешня | 630 |
| Яблоня | 690-720 |
Наименьшую плотность имеют хвойные породы, наибольшую, наоборот, лиственные виды.
Стабильность
Расчетное сопротивление древесины включает в себя такое понятие, как стабильность к воздействию влаги. Степень измеряется по пятибалльной шкале при изменении влажности воздуха:
- Нестабильность. Появляется значительная деформация даже при незначительном изменении влажности.
- Средняя стабильность. Появляется заметная степень деформации при небольшом изменении влажности.
- Относительная стабильность. Появляется легкая степень деформации при небольшом изменении влажности.
- Стабильность. Отсутствует видимая деформация при небольшом изменении влажности.
- Абсолютная стабильность. Абсолютно отсутствует деформация даже при большом изменении влажности.
Ниже приведена таблица стабильности распространенных пород древесины.
| Наименование породы | Степень стабильности |
| Акация | 2 |
| Береза | 3 |
| Береза карельская | 3 |
| Бук | 1 |
| Вишня | 4 |
| Вяз | 2 |
| Груша | 2 |
| Дуб | 4 |
| Ель | 2 |
| Кедр | 4 |
| Клен европейский | 2 |
| Клен канадский | 2 |
| Клен полевой | 1 |
| Лиственница | 2-3 |
| Ольха | 1 |
| Орех американский | 4 |
| Орех бразильский | 2 |
| Орех грецкий | 4 |
| Орех европейский | 4 |
| Орех испанский | 3 |
| Осина | 1 |
| Пихта | 2 |
| Тополь | 1 |
| Черемуха | 1 |
| Черешня | 2 |
| Яблоня | 2 |
Показатели рассчитаны для древесины влажностью 12 %.
Механические характеристики
Качество древесины определяется по следующим показателям:
- Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу в процессе трения. С увеличением твердости материала уменьшается его изнашивание с неравномерным распределением по поверхности образца. На износостойкость также влияет влажность древесины. Чем она ниже, тем выше сопротивление.
- Деформативность — способность восстанавливаться форму после исчезновения воздействующих сил. При сжатии древесины появляется деформация заготовки, которая исчезает вместе с нагрузкой. Основным показателем деформативности является упругость, которая повышается вместе с влажностью древесины. С постепенным высыханием упругость теряется, что приводит к снижению стойкости к деформациям.
- Гибкость — природная способность древесины сгибаться под нагрузками. Хорошими показателями обладают лиственные породы, хвойные в меньшей степени. Эти способности важны при изготовлении гнутых изделий, которые сначала увлажняются, а затем загибаются и сушатся.
- Ударная вязкость — способность поглощать силу удара без скалывания древесины. Тестирование проводят с использованием стального шарика, который сбрасывают на заготовку с высоты. Лиственные сорта показывают лучший результат, чем хвойные.
Постоянные нагрузки постепенно ухудшают свойства древесины и приводят к усталости материала. Даже самое прочное дерево не способно противостоять внешнему влиянию.
Нормативные характеристики
Показатели нормативного сопротивления необходимы для изготовления разного вида конструкций. Древесина считается пригодной, если показатели не ниже расчетных величин. В испытаниях используют только стандартные образцы с влажностью не выше 15 %. Для древесины с другим значением влажности используют специальную формулу расчетного сопротивления, далее показатели переводят в стандартные значения.
При проектировании деревянных конструкций важно знать фактические значения прочности исходного материала. В реальности они меньше нормативных, получаемых на тестовых образцах. Эталонные данные получают путем нагружения и деформации образцов стандартных размеров.
Расчетные характеристики
Расчетное сопротивление древесины — это напряжения в разных плоскостях деревянных образцов, создаваемые определенными нагрузками, которые дерево может выдерживать любое количество времени до полного разрушения. Эти показатели отличаются для растяжения, сжатия, изгиба, скалывания и смятия.
Фактические показатели получают путем умножения нормативных данных на коэффициенты условия работы.
| Наименование | Коэффициент расчетного сопротивления древесины | ||
| Напряжение вдоль волокон | Напряжение поперек волокон | Скалывание | |
| Лиственница | 1,2 | 1,2 | 1 |
| Сибирский кедр | 0,9 | 0,9 | 0,9 |
| Сосна | 0,65 | 0,65 | 0,65 |
| Пихта | 0,8 | 0,8 | 0,8 |
| Дуб | 1,3 | 2 | 1,3 |
| Клен, ясень | 1,3 | 2 | 1,6 |
| Акация | 1,5 | 2,2 | 1,8 |
| Бук, береза | 1,1 | 1,6 | 1,3 |
| Вяз | 1 | 1,6 | 1 |
| Тополь, ольха, осина, липа | 0,8 | 1 | 0,8 |
На условия работы влияет целый список факторов. Приведенные выше коэффициенты учитывают такие факторы. Любое воздействие влаги на конструкции приводит к снижению конечных показателей.
Заключение
При проектировании деревянных конструкций важно знать расчетные показатели материалов, используемых при строительстве. Отдельные узлы будут испытывать постоянные или временные нагрузки, которые могут привести к их полному разрушению. Данные, указанные в ГОСТ и СНиП, получены путем тестирования стандартных образцов. Однако реальные значения будут сильно отличаться от нормативных. Поэтому для расчетов используют формулы, предусмотренные стандартами.