§ 2. Механические свойства древесины

Механические свойства древесины определяют путем испытания малых чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Минимальное количество образцов для проведения испытания вычисляют по формулам в зависимости от коэффициента вариации изучаемого свойства.

Показатели свойств древесины должны быть пересчитаны на влажность 12% (в случае необходимости — на влажность 15%).

После того как древесина достигла предела гигроскопичности (30%), дальнейшее увеличение влажности не влияет на ее прочность (рис. 129).

129. Влияние влажности на прочность древесины

Рис. 130. Схема испытания древесины

На рис. 130 представлены схемы основных испытаний древесины. Прочность при сжатии определяют путем испытания образцов имеющих форму параллелепипеда основанием 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм (рис. 130,а). Определяют пределы прочности древесины вдоль и поперек волокон.

Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон (Rp/y) примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика (табл. 41).

Таблица 41 Удельная прочность при растяжении некоторых строительных материалов

Следовательно, древесина по своей удельной прочности конкурирует с современными конструкционными материалами. Однако использовать высокую прочность древесины не так легко, поскольку сучки, трещины и другие пороки сильно снижают ее механические свойства. В этом отношении большие возможности дает применение древесины в клееных деревянных конструкциях.

Прочность при статическом изгибе древесины очень высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70% прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т. п.) чаще всего работает на изгиб (рис. 130,6").

К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами.

Прочность древесины при скалывании имеет большое значение при устройстве врубок, клеевых швов и т. п. в деревянных конструкциях. Для определения предела прочности при скалывании используют специальные образцы и приспособления (рис. 130,в). Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных древесных пород составляет 6,0 — 13 МПа, а при скалывании поперек волокон — в 3 — 4 раза выше. Кроме этих испытаний может проводиться определение предела прочности древесины при перерезании поперек волокон.

Статическая твердость (рис. 130,г) численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь отпечатка равна 1 см2). Твердость древесины по торцу на 15 — 50% выше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Мягкие породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35 — 50 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень, лиственница и др.) — 50 — 100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) — более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.

Твердость древесины понижается при увлажнении. Ударную твердость #у, (Дж/см2) вычисляют по формуле

Hw = 4mgh/(izd2),

Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели — 10 000 — 15 000 МПа, он возрастает с увеличением плотности древесины, а увлажнение его снижается. Известно, что гнуть сырую древесину легче, чем сухую. Еще больше облегчает гнутье древесины пропаривание — это удобный способ нагрева древесины без ее высушивания.

Особенностью древесины является ползучесть, проявляющаяся особенно во влажных условиях. Следствием ползучести является постепенное увеличение деформаций (прогибов балок, провисание тесовых крыш и т. д.) при длительном действии нагрузки.

Факторы, влияющие на механические свойства древесины.

Таблица 42 Средние показатели механических свойств древесины хвойных и лиственных пород (при 15%-ной влажности)

В табл. 42 сопоставлены объемная масса и показатели прочности древесины хвойных и лиственных пород, произрастающих в СССР.

Общая тенденция состоит в том, что, чем плотнее древесина, тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древесины пород возрастают, если лес растет на возвышенных местах и песчаных почвах.

Повышение влажности до предела гигроскопичности (до 30%) понижает механические свойства древесины. Высушивание же древесины на 1% (в пределах изменения влажности от 20 до 8%) повышает ее сопротивление сжатию и изгибу на 4%, растяжению — на 1%.

Показатели прочности древесины в весьма большей степени зависят от того, под каким углом к волокнам направлена сила. Если принять за 100% предел прочности древесины вдоль волокон, то сопротивление сжатию поперек волокон составит 20 — 30%, а растяжению — всего лишь 2 — 3%.

Пороки древесины понижают ее прочность.

Пороками называют недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможности ее использования.

Дефектами называют пороки механического происхождения, возникающие в древесине в процессе заготовки, транспортировки, сортировки, штабелевки и обработки.

Ввиду наличия пороков прочность бруса или доски не может быть оценена по результатам испытания малых чистых образцов. Поэтому в отличие от других материалов, сорта лесоматериалов устанавливают не по прочности образцов, а на основании оценки характера, размеров и количества пороков.