Механические свойства древесины

Вертикальные статические нагрузки - это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, ее определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см² (кгс на 1 см²) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см² (кгс/см²).

Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангентальном направлении.

По направлению действия силы (нагрузок) различают прочность древесины на сжатие, изгиб, скалывание, растяжение. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в табл. 1... 3.

Таблица 1 Основные технические свойства различных древесных пород

Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангентальном направлении (рис. 1).

Испытание механических свойств древесины на сжатие

а - вдоль волокон; 6 - поперек волокон - радиально; в - поперек волокон - тангентально
Рис. 1

Строительные нормы и правила в зависимости от пороков делят деревянные конструкции на три категории.

Предел прочности древесины на сжатие вдоль волокон высок у всех пород. Поперек волокон он значительно меньше.

Для хвойных твердо- и мягколиственных пород нормативную сопротивляемость рассчитывают по коэффициентам табл. 2.

Таблица 2. Нормативная сопротивляемость чистой древесины сосны и ели

Таблица 3 Твердость древесины различных пород

Древесина работает на изгиб с опорой в середине (рис. 2, а) (доска-качель), с закрепленным концом (рис. 2, б) (балка балкона), с опорами на концах (рис. 2, в) (балки перекрытия). Во всех случаях конструкции подвержены растяжению и сжатию. В двух первых вариантах верхний слой конструкции растянут, а нижний - сжат, в третьем варианте - верхний слой сжат, а нижний растянут. В первом и третьем вариантах от воздействия критического момента разрушение произойдет в середине детали, во втором варианте - в месте ее закрепления. Во всех вариантах изгиба граница действия сил сжатия и растяжения проходит через ось в центре конструкции. Ее называют нейтральным слоем, так как здесь отсутствуют силы сжатия и растяжения, но действуют силы сдвига.

Испытание механических свойств древесины на изгиб

Рис. 2

Предел прочности древесины на сдвиг (скалывание) - это способность ее сопротивляться перемещению вдоль и поперек волокон (рис. 3, а, б,). Прочность на скалывание поперек волокон больше, чем вдоль волокон.

Сдвиг древесины

а - вдоль волокон; б - перпендикулярно волокнам
Рис. 3

Прочность забитых гвоздей при растяжении зависит от вида сопряжения детали (рис. 4). В первом случае оно в два раза меньше, чем при двойном.

Сдвиг деталей

а - обыкновенный; б - двойной
Рис. 4

Скалывание в деревянных конструкциях в узлах фермы действует совместно с силами на сжатие и изгиб. Направления сил в деревянной конструкции показаны на рис. 5.

Направление сип в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой

1 - сдвиг на скалывание; 2 - сжатие; 3 - растяжение; 4 - изгиб; 5 - сжатие
Рис. 5

Прочность древесины зависит от влажности и объемной массы. При увеличении влажности ее прочность уменьшается. Плотная сухая древесина более прочная, чем легкая и рыхлая. Неодинакова прочность древесины в различных местах ствола. Наиболее прочна древесина комлевой части ствола, имеющая большую объемную массу. На каждые 6 м предел прочности древесины (от комля к вершине) снижается на 8%.

Для древесины характерны эластичность и пластичность. Эластичность используется в рукоятках ручных инструментов, уменьшающих силу удара, например в ручке стамески.

Пластичность - способность древесины сохранять приданную ей форму после снятия приложенной нагрузки. Влажность и повышение температуры древесины увеличивают пластичность. Обработка древесины паром или горячей водой увеличивает ее пластичность, что находит применение в производстве гнутой мебели, лыж. Высокая пластичность у бука, вяза, дуба, ясеня, меньшая пластичность у хвойных пород из-за прямолинейной структуры волокон.

Хрупкость - это свойство древесины внезапно разрушаться под воздействием нагрузки. Хрупкой древесины не существует, это объясняется ее волокнистым строением.

Твердость древесины - это способность сопротивляться внедрению инородного тела. Увеличение объемной массы древесины повышает ее твердость и увеличивает трудоемкость обработки.

С увеличением влажности твердость древесины уменьшается. По твердости древесину подразделяют на твердую и мягкую. Твердые породы: граб, бук, дуб, клен, ясень, вяз, груша, орешник, ильм, лиственница и др., а наиболее твердые самшит и акация; мягкие: липа, ель, сосна, ольха и др.

Износостойкость - это способность древесины противостоять нагрузкам, возникающим в процессе трения (при эксплуатации полов, лестниц).

Износ древесины определяется стиранием поверхности при механических нагрузках в процессе эксплуатации и зависит от твердости и объемного веса древесины.

Составные части дерева и его строение

Пороки древесины

Физические свойства древесины

Обеспечение продолжительности эксплуатации древесины

Архитектура деревьев

Бук

Тисс

Кедр гималайский

Тополь

Тянь-шанская ель

Ясень

Автор: Х.А. Штерн
Столярно-плотничные работы
перевод: Б.П. Деменьтьева