Что относится к механическим свойствам древесины плотность влажность
Свойства древесины: механические, физические, технологические
Еще с древнейших времен, человек не мог обходиться без древесины. Не растратила она своего значения и на сегодняшний день, невзирая на то, что пришло на смену много современных и передовых материалов, которые вытеснили лесоматериалы из некоторых сфер ее применения. Однако, появились другие направления и сферы применения, новые технологии, где изделия из дерева просто незаменимы.
Основные свойства древесины
Как и многие стройматериалы, древесный материал отличается по характерным свойствам и особенностям. Свойства могут быть как позитивными, так и негативными показателями. Эти свойства обусловлены породой лесоматериалов.
Свойства древесины подразделяется на:
Никакой строительный материал не располагает такими технологическими и декоративными свойствами, как изделия из дерева. Она податлива при обработке. Прочный и лёгкий материал, долгое время сохраняющий тепло и нежный запах. Но, как и всякий материал она имеет положительные и отрицательные свойства.
Свойства, определяющие общий вид древесины
К таким свойствам относятся:
Строение древесины
Технологические свойства древесины
Технические свойства характеризуют следующие показатели:
Плотность древесины
Соразмерность веса пиломатериала к его объёму и есть плотность. Устанавливается плотность в кг/м3, и напрямую подчиняется влажности.
Плотность подразделяют на:
Твёрдость древесины
На твёрдость влияют следующие показатели:
Твердость у одного ствола может быть разной: в зависимости от того, какой применяется распил. Торцы твёрже чем тангентальная и радиальная поверхность.
Износостойкость и гибкость древесины
Тепловые свойства
К таким свойствам относятся следующие показатели:
Влажность древесины
Влажность — это процентное соотношение количества влаги в определённом объёме древесного материала, к такому же объёму совершенно сухого материала. Свойства по влажности у каждой породы индивидуальные.
Влажность подразделённая по степеням:
Усушка, разбухание и коробление пиломатериала
Разбухание — одно из негативных свойств древесины. Хотя в отдельных случаях разбухание играет существенную роль: создает уплотнение соединениям в лодках, бочонках и кадках.
Физические свойства древесины
Абсолютное значение, измеряемое соотношением веса к объему. Плотность напрямую зависит от разновидности породы и количества влаги. Чем меньше влажность, тем ниже плотность.
Свойство древесины пропускать тепло от корней до кроны. На качество теплопроводности влияют такие факторы:
Особенное свойство лесоматериалов — пропускать звук. Звукопроницаемость у древесины повыше, чем у некоторых материалов. Этот показатель необходимо принимать во внимание в строительстве, где крайне важна звукоизоляция стен и столярных изделий.
Положительное свойство пиломатериалов пропускать ток. На электропроводность влияют влажность, порода, направление волокон и температура. Сухая древесина не пропускает электроток, что даёт возможность использовать ее как изоляционный материал.
Степень увлажненности пиломатериалов, это — показатель качества и износостойкости изделий из древесины. Отличительное свойство: чем меньше содержание влажности, тем дольше она не подвергается гниению.
6. Коррозионная стойкость.
Отсутствие коррозии — немаловажное свойство у изделий, изготовленных из древесины. Особенно это касается тех изделий, которые подвергаются эксплуатации на открытом воздухе.
7. Цвет, блеск, запах и текстура.
Данные свойства позволяют зрительно определять породу древесины и имеют чисто художественное значение.
Механические свойства древесины
Важные свойства, влияющие на устойчивость и надёжность строений и деревянных изделий.
Сопротивление древесных материалов к разрушениям под воздействием механических усилий.
Это свойство зависит от сопротивления древесного материала к проникновению твердых тел. Чем тверже древесина, тем сложнее она поддаётся обработке.
Поглощение ударов без нарушений целостности.
Трещины
Это продольные разрывы, возникающие под воздействием внутренних напряжений.
Трещины подразделяют по следующим свойствам:
Радиальные трещины внутри ствола дерева. Наблюдаются у всех пород, особенно этим страдает перестоялый древостой. Трещины появляются по мере роста дерева и представляют прерывающиеся разломы по длине сортамента.
Отслаивание древесного волокна внутри ядра и отслоение спелой древесины у растущего дерева. Отлупные трещины можно встретить у каждой породы. До конца не установлены причины возникновения таких трещин.
Продольные разрывы извне на стволе молодого дерева. В основном, морозные трещины преобладают у лиственных пород и очень редко у хвойных. Трещины появляются при резких перепадах зимних температур.
Появляются под воздействием неравномерной усушки и выявляются при распиловке сортамента.
Трещины — основная причина понижения прочности лесоматериалов, используемых в строительстве. Кроме того, трещины содействуют вторжению грибных заболеваний и попаданию влаги внутрь материала.
Пороки формы ствола
Стволы деревьев также обладают определёнными пороками:
Ствол дерева, во время роста, постепенно уменьшается в диаметре от нижней части к кроне. Когда, при каждом метре роста, диаметр ствола убывать больше чем на 1 см, то это — сбежистость.
Лиственные породы больше подвержены такому пороку нежели хвойные породы Сбежистость больше всего проявляется у деревьев растущих на свободе или в мелколесье. Чем гуще лес, тем поменьше на деревьях сбежистости. Данный порок повышает величину отходов и снижает прочность.
Если диаметр ствола в нижней части дерева превышает диаметр того же ствола на высоте не менее метра в 1,2 раза, то это называется закомелистостью.
Ствол дерева имеет форму эллипса, а максимальный диаметр больше минимального в 1,5 раза. Овальность вызывает у дерева крен и изменяет строения древесины.
Локальное утолщение появляется в результате негативного воздействия:
Все древесные породы страдают искривлением стволов. Простая кривизна имеет один изгиб, сложная — несколько изгибов ствола.
Кривизна относится к отрицательным свойствам древесины.
Пороки строения древесины
Пороки подразделяются на группы. В группе находятся определённые виды пороков.
Искаженное месторасположение древесного волокна и годичных слоёв
Наклонное положение волокон значительно понижает прочность древесины, усиливает усушку сортамента вдоль и является поводом появления винтовой искривлённости и закручивания пиломатериалов. Наклон волокон существенно усложняет обработку пиломатериала и уменьшает потенциал древесины к изгибу.
Это волнистое и хаотичное распределение волокон.
Свилеватость уменьшает прочность на растяжение, повышает ударную вязкость и противодействие раскалыванию. Механическое воздействие на свилеватый материал очень затруднён. Однако, у этого порока есть и свои положительные свойства — красивая текстура.
Искажение годичных слоёв около сучков и наростов.
В склонённых и кривых стволах формируется редкостная древесина, которая получила название реактивной. Этот изъян происходит под воздействием силы тяжести, которая вызывает переназначение веществ и подавляет процесс роста.
Крен ухудшает уровень качества древесного сырья, используемого в целлюлозно-бумажной промышленности.
Тяговая древесина усложняет обработку материалов. Во время обработки, образуются мохнатые и замшелые поверхности, которые, отделившись во время резания, заполняют углубление и препятствуют вращению пил.
Сучки
Нерегулярные анатомические образования
Тёмная внутренняя часть ствола дерева — это ложное ядро. Кромка ложного ядра не соприкасается с границей годичных колец. От заболони ядро отгорожено тёмной каёмкой.
Источником возникновения порока являются:
Ложное ядро портит наружный вид изделия и уменьшает возможность лёгкого загиба. Ядро устойчиво к гниению.
В районе сердцевины может сформироваться несколько прилегающих годичных слоёв, схожих с заболонью по цвету и иным свойствам. Внутренняя заболонь появляется из-за нарушения естественной деятельности клеток, вызванное морозами.
У некоторых деревьев из-за повреждения структуры, влияния химических факторов, грибковых заболеваний и засилья насекомых появляются небольшие темноокрашенные зоны на древесине.
Пятнистость особого воздействия на какие — либо свойства не оказывает.
В круглых лесоматериалах существование сердцевины — обычное свойство и явление неотвратимое. Сердцевина значительно снижает прочность деталей с небольшим сечением. В крупных распиленных заготовках нахождение сердцевины нежелательный фактор. Сердцевина быстро поддаётся загниванию.
Это — беспорядочное месторасположение сердцевины, препятствующее массовому использованию материалов. Данное свойство относится к отрицательным показателям.
В раскроенном материале можно обнаружить две сердцевины. Каждая сердцевина обладает своими личными годичными слоями. По краю ствола обе сердцевины окружены единой системой годичных слоёв.
Выпиленные заготовки с двойной сердцевиной, чаще и посильнее коробятся, кроме того могут возникнуть трещины.
Это — внешнее частичное омертвение ствола. Данный порок появляется в результате содранной коры, солнечного ожога или перегревания коры. Сухобокость нарушает форму деревьев, образует завитушки, ухудшает цельность древесины и понижает выход.
Это — заживающая или уже зажившая рана.
Прорость разрушает цельность древесины, что влечёт за собой кривизну и искажение годичных слоёв.
Рана, появившаяся в результате грибковых заболеваний и присутствия бактерий.
При раке меняется правильная форма деревьев.
Необычные отложения в древесине
Это — щедро напитанный смолой участок древесины, образованный после ранения хвойного дерева.
Засмолок имеет незначительную влагопроницаемость и лёгкое впитывание воды. Положительным свойством такой древесины является увеличенная стойкость к гнили, но при этом — плохо поддаётся отделке и приклеиванию.
Это — углубление в глубине годичных слоёв, наполненное смолой.
Стекающая из полости смола затрудняет отделку и склейку заготовок. Такое свойство лесоматериалов считается отрицательным.
Водослойная древесина различается от здоровой увеличенной усушкой и разбуханием. Свойство характеризуется как отрицательное.
Диэлектрические свойства древесины
Древесина может выражать диэлектрические свойства, характеризующиеся двумя признаками.
Первый – магнитная пропускаемость.
Второй – поглощение релаксации дипольной поляризации и превращение её в тепло.
Механические свойства древесины
Механические свойства древесины — это такие свойства, которые обнаруживаются при действии на древесину внешних сил (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, перерезывание, скалывание). Действие этих сил может проявляться во время эксплуатации деревянных конструкций, а также при обработке древесины режущими инструментами.
К механическим свойствам древесины относятся:
Механические свойства древесины меняются по высоте и радиусу ствола. Они зависят от количества годовых колец в одном сантиметре и процента поздней древесины.
Существенное влияние на свойства древесины оказывает связанная влага. Влажность выше предела гигроскопичности практически не влияет на ее механические свойства.
Твердость древесины
Твердостью называется способность древесины сопротивляться прониканию в нее более твердых тел, а также режущих инструментов, гвоздей и шурупов.
Так как распил древесины производится тремя способами, то и твердость дерева различается в этих направлениях среза.
Выделяют следующие типы твердости по направлениям среза:
Т орцевой (поперечный) распил – дерево распиливается перпендикулярно стволу и направлению волокон.
Торцевой распил древесины
Радиальный распил осуществляется вдоль ствола, по радиусу, то есть, через центр дерева.
Радиальный распил древесины
Тангенциальный распил также выполняется продольно, однако проходит вне центра, по хорде окружности, и поэтому на лицевой поверхности среза образуются своеобразные узоры из годичных колец.
Тангенциальный распил древесины
П оказатель твердости лесоматериалов изменяется в зависимости от типа его распила.
Боковая твердость у хвойных пород чаще всего на 40% ниже торцовой, а у лиственных пород – на 30%. Тангенциальная твердость, например, дубовых, буковых или ильмовых лесоматериалов, выше торцевой почти на 10%. Большая часть сортов древесины имеет примерно одинаковую тангенциальную и радиальную твердости.
По степени твердости все породы древесины делятся на следующие классы:
— твердые, как кость : эбонитовое дерево, кокос;
— очень твердые : дуб, бук, белая акация, граб, тис, палисандр;
— твердые : дуб, яблоня, груша, вишня, ясень, тик;
— умеренно твердые – орех, черная сосна, вяз;
— мягкие: берёза, липа, лиственница, ольха, красное дерево;
— очень мягкие : ель, белая сосна, тополь, верба, осина, пихта;
Твердая древесина встречается обычно у лиственных деревьев с широкими плоскими листьями, опадающих осенью или весной, как например, листья дуба. Поскольку твердая древесина еще и плотнее, чем мягкая, изделия из нее прочны и долговечны, и поэтому она больше ценится в столярном деле.
Мягкая древесина – это прежде всего хвойные вечнозеленые породы, размножающиеся шишками. Поскольку такие деревья быстрее растут, то эта древесина дешевле твердой. Мягкая древесина используется в строительстве для изготовления балочных перекрытий, в мебельном производстве, является сырьем для изготовления бумаги.
Но при этом всегда необходимо помнить, что у некоторых лиственных древесина на самом деле «мягче», чем у хвойных деревьев.
Упругость древесины
Упругостью древесины называется ее способность изменять (в известных пределах) свою форму под действием внешнего усилия и возвращаться к первоначальной форме после прекращения этого воздействия.
Упругость древесины — способность возвращаться к первоначальной форме после прекращения воздействия нагрузки
При кратковременной растягивающей нагрузке вдоль волокон древесина до определенного предела ведет себя практически совершенно упруго, в ней возникают преимущественно упругие деформации. То есть, деформация, вызванная растяжением, исчезает, как только снимается нагрузка.
Модуль упругости при растяжении и сжатии фактически одинаков, так же, как и при изгибе.
| Древесина | Расчетная величина Е вдоль волокон, Н/мм 2 (кг/см 2 ) |
| Европейская хвойная | 10000 (100000) |
| Дуб, бук | 12500 (125000) |
При действия усилия под углом к направлению волокон, по мере увеличения угла, модуль упругости Е уменьшается. При усилиях, действующих поперек волокон, деформации из-за трубчатого строения клеток значительно больше, чем при действии вдоль волокон, а значит, значительно уменьшается модуль упругости. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.
В строительной практике устанавливается средняя величина модуля упругости Е в направлении поперек волокон, которая для хвойных пород равна 300 МПа (Н/мм 2 ), а для лиственных – 600 МПа (Н/мм 2 ). Следовательно, модуль упругости вдоль волокон примерно в 20 раз больше, чем поперек.
Проектировщику модуль упругости Е древесины необходимо знать при расчете конструкций по второй группе предельных состояний — состояний, при которых нарушается нормальная эксплуатация сооружений, конструкций или исчерпывается ресурс их долговечности вследствие появления недопустимых деформаций (прогибов, трещин), колебаний и иных нарушений, требующих временной приостановки эксплуатации сооружения и выполнения его ремонта. То есть, вторая группа определяется непригодностью конструкций к нормальной эксплуатации.
Возможны случаи, когда конструкция не потеряла несущую способность, т.е. удовлетворяет требованиям первой группы предельных состояний, но ее деформации, например, прогибы таковы, что нарушают технологический процесс или нормальные условия нахождения людей в помещении.
При расчете по второй группе предельных состояний определяется максимальный прогиб fmax в элементе конструкции. Как правило, это однопролетная разрезная балка постоянного сечения. Максимальный прогиб зависит от того, чем нагружена балка (сосредоточенной силой Q, распределенной нагрузкой q или моментом M), и от того, какие опоры на концах балки (подвижный или неподвижный шарнир, жесткая заделка или свободный конец), то есть, от расчетной схемы балки.
Значение максимального прогиба fmax для каждого конкретно случая можно найти в любом справочнике по строительным конструкциям. Если под рукой нет такого справочника, то значение прогиба можно рассчитать по универсальной формуле, найдя предварительно нормативное значение максимального момента Мн:
М н — нормативное значение максимального изгибающего момента;
l — пролет балки (расстояние между опорами);
J x — момент инерции сечения, для прямоугольного сечения равен bh 3 /12;
Е — модуль упругости материала конструкции.
Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок.
Упругие свойства древесины поперек волокон используются главным образом в сочетании с другим свойством, с его вязкостью – способностью дерева держать гвозди, костыли, шурупы. И это ценное качество дерева не удается воспроизвести ни в одном из современных материалов. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдергиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон.
С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдергивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдергивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.
Пластичность древесины
П ластичностью древесины называется ее способность под воздействием продолжительных нагрузок, не разрушаясь, сохранять приданную ей измененную форму, давать остаточную деформацию. Древесина лиственных пород обладает большей пластичностью, чем древесина хвойных пород.
Пластичность древесины — способность сохранять приданную ей измененную форму под воздействием продолжительных нагрузок
Пластичность можно отнести как к положительным, так и к отрицательным свойствам. Она возрастает с повышением температуры и увеличением влажности.
Достаточно большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии, при обычных температурных условиях, используется в строительстве в качестве арочных гнутых конструкций, в мебельном производстве, при производстве перил для лестниц в частных домах.
Большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии используется при производстве перил для лестниц
Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Способность гнуться выше у лиственных кольце-сосудистых пород – дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых – бука. Хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу.
Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации, что позволяет зафиксировать новую форму детали под нагрузкой.
Отрицательные проявления пластичности дерева сказываются главным образом на старых балочных перекрытиях больших пролетов, дающих заметное на глаз провисание иногда лишь по прошествии десятков лет. У стропильных деревянных ферм, благополучно простоявших более 100 лет, вдруг начинает наблюдаться катастрофическое нарастание прогибов из-за пластических деформаций в перенапряженных частях.
В некоторых деревянных конструкциях пластические деформации являются причиной не только традиционного провисания, но и их разрушения.
Пластические деформации — причина не только провисания, но и разрушения деревянных стропил крыши
Прочность древесины
Прочностью древесины называется ее способность выдерживать определенные нагрузки не разрушаясь. Более плотная древесина обычно является и более прочной.
Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина – анизотропный материал, то есть, материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении).
Направление нормалей для торцевого, радиального и тангенциального разрезов
Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесенные к единице площади сечения (1см 2 ) называют напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности.
Предел прочности определяют на малых, не имеющих пороков образцах в лабораториях на испытательных машинах.
Прочность при сжатии
Прочность при сжатии вдоль волокон
Прочность при сжатии вдоль волокон определяется на образце призматической формы. Образец размером 20 х 20 х 30мм, должен включать не менее 4-5 годичных слоев.
Образец для испытания древесины на прочность при сжатии вдоль волокон
Образец постепенно нагружают до разрушения, измеряя при этом максимальную нагрузку Рmax, H. Характерным признаком разрушения образца при сжатии является возникновение складки, образующейся в результате потери устойчивости волокон.
Характерные складки являются признаком разрушения образца в результате потери устойчивости волокон
Предел прочности σ, МПа вычисляют по формуле:
где P max — максимальная нагрузка, Н
При работе древесины на сжатие вдоль волокон ее прочность в 2-2,5 раза ниже аналогичной прочности на растяжение.
Прочность при сжатии поперек волокон
Прочность при сжатии поперек волокон определяется по схемам на рисунке:
Образцы для испытания древесины на прочность при сжатии поперек волокон
Здесь указана равнодействующая сил, которые либо равном ерно распределены по всей поверхности образца, либо по всей ширине, но на части длины его (местное сжатие). Во всех случаях определяют условный предел прочности. В качестве этого показателя используют предел пропорциональности, то есть, величину напряжений, до которых наблюдают линейную зависимость между напряжениями и деформациями.
В среднем для всех пород он составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон. То есть, в среднем, п рочность древесины при сжатии поперек волокон в десять раз меньше, чем прочность при сжатии вдоль.
Прочность при растяжении
Испытания на прочность при растяжении проводятся на образцах другого вида:
Образцы для испытания древесины на прочность при растяжении
Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно растягивающих напряжений.
Предел прочности при растяжении получают делением величины разрушающей нагрузки на площадь сечения рабочей части образца.
В среднем для всех пород предел прочности при растяжении вдоль волокон равен 130 МПа (1300 кг/см 2 ), а предел прочности при растяжении поперек волокон в 20 раз ниже. Поэтому при конструировании изделий из древесины избегают растягивающих нагрузок, направленных поперек волокон.
Высокая прочность древесины при растяжении вдоль волокон позволяет использовать ее для изготовления строительных конструкций.
Прочность при изгибе
Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20 х 20 х 300 мм:
Образец для испытания древесины на изгиб
Предел прочности при статическом изгибе, МПа вычисляют по формуле:
где Мmax — максимальный изгибающий момент от нагрузки;
W — момент сопротивления сечения испытуемого бруса.
Для бруса прямоугольного сечения и сосредоточенной нагрузки посредине балки предел прочности при изгибе можно вычислить по формуле:
где P max – максимальная нагрузка, H;
l – пролет, то есть, расстояние между центрами опор, равный 240 мм;
b – ширина в радиальном направлении, мм;
h – высота в тангенциальном направлении, мм.
Предел прочности при изгибе — промежуточное значение между пределом прочности при растяжении и и пределом прочности при сжатии. В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 90 МПа. Довольно высокая прочность древесины при изгибе позволяет использовать ее для изгибаемых строительных конструкций.
При работе древесины на изгиб наблюдается и растяжение, и сжатие волокон, и межслойный сдвиг.
При работе древесины на изгиб можно увидеть и растяжение, и сжатие волокон
Разрушение изгибаемых элементов начинается в результате:
Прочность при сдвиге
При испытаниях на сдвиг к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости, происходит сдвиг. Различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперек волокон и перерезание древесины поперек волокон. Схема действия сил при этих испытаниях показана на рисунке:
Образцы для испытания древесины на сдвиг
При испытании на скалывание вдоль волокон применяют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке:
Образец для испытания древесины на скалывание вдоль волокон
Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют делением разрушающей нагрузки на площадь скалывания.
где (b ∙ l) – площадка скалывания
Величина предела прочности – касательных максимальных напряжений при скалывании вдоль волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от предела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперек волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.
Пределы прочности (временные сопротивления Rвр) отдельных пород древесины:
| Вид древесины | Объемный вес, кг/м 3 | Сопротивление | |||
| сжатию, Н /мм 2 | растяжению Н/мм 2 | изгибу, Н/мм 2 | скалыванию, Н/мм 2 | ||
| Ель | 500 | ||||
| — вдоль волокон | 43 | 90 | 66 | 6,7 | |
| — поперек волокон | 5,8 | 2,7 | — | — | |
| Сосна | 600 | ||||
| — вдоль волокон | 47 | 104 | 87 | 10,0 | |
| — поперек волокон | 7,7 | 3,0 | — | — | |
| Лиственница | 450 | ||||
| — вдоль волокон | 85 | 107 | 99 | 9,0 | |
| — поперек волокон | 7,5 | 2,3 | — | — | |
| Бук | 370 | ||||
| — вдоль волокон | 62 | 135 | 105 | 10,0 | |
| — поперек волокон | 9,0 | 7,0 | — | — | |
| Дуб | 700 | ||||
| — вдоль волокон | 54 | 90 | 91 | 11,0 | |
| — поперек волокон | 11 | 4,0 | — | — | |
Поскольку свойства древесины, являющейся естественным строительным материалом, колеблются в широких пределах, в таблице приведены наиболее часто встречающие величины. Показатели приведены для влажности примерно 12%, то есть, обычной влажности при нормальных климатических условиях.
Однако, при проектировании деревянных конструкций в расчетах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели – расчетные сопротивления R.
Именно расчетное сопротивление R применяют при расчетах конструкций по первой группе предельных состояний. Первая группа предельных состояний — это состояния, при которых происходит исчерпание несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости) сооружений и конструкций при соответствующих комбинациях нагрузок, которые могут также сопровождаться разрушениями любого вида (вязкое, усталостное, хрупкое).
То есть, первая группа определяется потерей несущей способности конструкции или непригодностью ее к эксплуатации. Говоря проще, состояния, относящиеся к этой группе считаются предельными, если в конструкции наступило опасное напряженно-деформированное состояние, в худшем случае, если она по этим причинам разрушилась.
Расчетное сопротивление R является предельным напряжением в материале реальных элементов конструкций, отличающихся от стандартных образцов большими размерами и наличием неизбежных пороков и дефектов, в пределах допустимого их содержания. Кроме того, в расчетном сопротивлении отражено влияние длительного действия нагрузок и условий эксплуатации.
Определение расчетного сопротивления R древесины производят в следующей последовательности:
1. Лабораторными испытаниями большого числа стандартных образцов материала малого размера определяют значения величин временных сопротивлений R вр (пределов прочности) — об этом было рассказано выше.
2. Далее, в результате статистической обработки, находят среднее арифметическое значение Rср вр временных сопротивлений, определяют коэффициенты изменчивости V и α и вычисляют R н – минимально возможное значение временного сопротивления, которое называется нормативным сопротивлением материала.
R н = Rср вр (1-αV)
R н – нормативное сопротивление чистой (без пороков) древесины сосны и ели с влажностью 12% при стандартных испытаниях малых образцов.
Для того, чтобы не высчитывать R н самостоятельно, в справочной литературе приводится таблица этих значений.
Нормативные сопротивления R н чистой древесины сосны и ели:
Вид напряженного состояния
Обозначение
Нормативное сопротивление,
МПа (кг/см 2 )
МПа = Н / мм 2 ;
Нормативные сопротивления, приведенные в графе а определены как пределы прочности чистой древесины при стандартных испытаниях малых образцов.
Нормативные сопротивления, приведенные в графе б, определены с учетом снижения сопротивления древесины при большей продолжительности воздействия расчетной нагрузки на конструкции, чем при стандартных испытаниях малых образцов.
3. Определяют расчетные сопротивления древесины и фанеры при влажности 12%, длительном действии нагрузок и нормальных температурных условиях эксплуатации:
R = R н / k
k – коэффициент безопасности по материалу (не надо путать с коэффициентом безопасности для конструкций). Этот коэффициент учитывает влияние следующих факторов: неоднородности структуры и состава древесины, наличия пороков и дефектов, больших размеров, длительного сопротивления.
kдл – коэффициент, учитывающий длительность нагрузки.
kпор – коэффициент, учитывающий пороки древесины. Больше всего пороки влияют на работу древесины при растяжении.
kразм – коэффициент, учитывающий влияние увеличенных размеров строительных элементов по сравнению со стандартными образцами. Равен при сопротивлении растяжению вдоль волокон 0,75, сжатию вдоль волокон 1, изгибу 0,9.
Значение коэффициента безопасности:
— при растяжении вдоль волокон
— при сжатии и смятии вдоль волокон
Вот почему, имея наибольшую механическую прочность при растяжении вдоль волокон (R вр = 100 МПа и R н = 55 МПа), и в тоже время наибольший коэффициент безопасности, расчетное сопротивление этому виду работы древесины самое низкое R р = 10 МПа.
Основные расчетные сопротивления R древесины сосны и ели:
МПа (кг/см 2 )
В данной таблице приведены расчетные сопротивления древесины сосны и ели, пригодной по допустимым порокам для проектирования деревянных конструкций, защищенных от нагрева.
Для древесины других пород приведены значения переходных коэффициентов к расчетным сопротивлениям.
Коэффициенты нормативных и расчетных сопротивлений древесины разных пород по отношению к древесине сосны и ели: