Физико механические свойства древесины

Цвет и текстура древесины

Сосна, лиственница, дуб и др. отличаются ярко выраженной окраской ядровой части; ель, береза, липа и др. не имеют такой окраски.
Цвет древесины с течением времени меняется под действием физико-химических факторов. Так, например, только что спиленная ольха за короткий промежуток времени на воздухе из светлорозовой становится желтовато-красной. Это изменение окраски происходит в результате окисления (под воздействием на древесину воздуха и света) находящегося в клетках древесины ольхи красящего вещества. При действии раствора солей железа древесина некоторых пород (дуб, каштан) темнеет, так как в ней содержится таннин.
Ненормальный цвет древесины, темные или цветные пятна или полосы являются признаком развития в ней грибов.

Древесина хвойных пород обладает в основном простой и однообразной текстурой (рисунком), древесина лиственных пород — более сложной. Древесные породы, такие, как дуб, ясень, каштан, орех, сосна, лиственница, тисе и др., дают красивую текстуру на тангентальном разрезе; клен, бук, чинар и др. дают красивую текстуру на радиальном разрезе. Благодаря богатству и разнообразию текстуры древесины ряд пород высоко ценится о столярно-отделочных работах.

Как ведет себя древесина при сжатии

На прочность древесины оказывают влияние влажность форма и размеры образцов, пороки древесины и т. п. Характеристику механических свойств древесины устанавливают путем испытания чистых (не имеющих пороков) образцов стандартные размеров. При испытаниях обязательно учитывают влажность образцов древесины.

Сопротивление древесины сжатию

Сопротивление древесины сжатию используется в различных частях сооружений (сваи, колонны, стойки, опоры, подкосы и другие элементы деревянных ферм).

В зависимости от направления усилия по отношению к направлению волокон древесины различают

  • а) сжатие вдоль волокон;
  • б) сжатие поперек волокон в радиальном направлении;
  • в) сжатие поперек волокон в тангентальном направлении.

расчетное сопротивление древесины сжатию

Сжатие: а — вдоль волокон; б — поперек волокон в радиальном направлении, в — поперек волокон в тангентальном направлении

Кроме указанных видов усилий могут быть и такие, направление которых составляет острый или тупой угол с направлением волокон древесины. При сжатии образца древесины вдоль волокон на его боковых поверхностях обнаруживаются линии разрушения; на радиальной поверхности они имеют вид горизонтальных линий, а на тангентальной — наклонных, их угол обычно несколько больше 45° (рис. 2)

Рис. 2. Характер разрушения образца древесины при сжатии вдоль волокон.

Как показывают наблюдения и исследования под микроскопом, при сжатии вдоль волокон у образца древесины еще до появления линий разрушения, заметных простым глазом, происходят изменения в стенках клеток. Эти изменения проявляются в трахеидах хвойных пород в виде тонких, четко очерченных линий, идущих под некоторым углом к продольной оси волокна.

Влажность оказывает большое влияние на деформативность и прочность древесины.

С увеличением влажности повышается деформативность древесины, уменьшается ее прочность по сравнению с сухой древесиной, что особенно заметно при статическом изгибе и сжатии. Это влияние проявляется при изменениях влажности в пределах от 0 до точки насыщения волокон. При более высоких значениях влажности (в среднем свыше 30%) прочность древесины остается почти постоянной.

влажность древесины

Оболочка (стенка) клетки состоит из элементарных волоконец, образующих сложную структурную сетку. Промежутки между волоконцами сетки заполнены гидрофильным упругим коллоидным веществом. При высыхании древесины оно упрочняется и оказывает сопротивление воздействию внешних сил, как упругое тело, вместе с сеткой упругих элементарных волоконец. Во влажном состоянии коллоидное вещество переходит в пластичное состояние и тогда сопротивление внешним усилиям оказывает только набухшая сетка.

Сопротивляемость растяжению древесины. Предел прочности древесины при растяжении

Древесина обладает высокой сопротивляемостью растяжении вдоль волокон и очень малой — поперек волокон.

Сопротивление древесины растяжению вдоль волокон характеризуется большой изменчивостью показателей прочности (от 500 до 2000 кг/см2), зависящей главным образом от строения древесины длины волокон, угла наклона волокон по отношению к направлению действующей силы и т. п. На прочность, оказывает влияние и химический состав древесины при повышенном содержании лигнина прочность на растяжение снижается.

В элементах конструкции прочность зависит от наличия местных ослаблений рабочего сечения, появляющихся при обработке древесины, от влияния пороков древесины и т. п. Вследствие этого по нормам и техническим условиям основное допускаемое напряжение при растяжении вдоль волокон для древесины сосны составляет всего 70—85 кг/см2.

Растяжение в конструкциях возникает редко, главным образом, в затяжках стропил.

Для определения предела прочности древесины при растяжении вдоль волокон применяют стандартный образец форма и размеры которого показаны на рис.

определения предела прочности древесины

 Формы и размеры образца, испытываемого на растяжение

Сопротивление древесины растяжению в направлении, перпендикулярном волокнам, составляет у хвойных пород всего 2 - 5% от прочности на растяжение вдоль волокон.
При растяжении поперек волокон прочность снижается из-за очень слабой связи (сцепления) между древесными волокнами в поперечном направлении.

Влажность древесины не оказывает заметного влияния на прочность при растяжении

Испытания древесины на изгиб

Древесина обладает высоким сопротивлением изгибу и потому широко применяется в ответственных изгибаемых деталях сооружений (балки, стропила, мостовые брусья и т. п.) Однако сопротивление древесины изгибу имеет большие пределы колебаний, чем сопротивление сжатию вдоль волокон, вследствие более сложных явлений, возникающих при изгибе.

Сопротивление древесины изгибу находится в зависимости от тех же факторов, что и сопротивление сжатию, т.е. от влажности объемного веса и т.п.

Наличие в древесине сучков, а также косое расположение волокон и годичных слоев могут значительно снизить прочность древесины (на 30% и более). С изменением размеров образца наблюдается изменение коэффициента относительной прочности так же и при сжатии, растяжении, скалывании и т. п.

механические свойства древесины

Разрушение образцов древесины при статическом поперечном изгибе (в случае приложения нагрузки по середине): 1 — в сжатой зоне вследствие образования складок, 2 — от скалывающих напряжений при наличии мелких скрытых трещин; 3 — простой разрыв, свойственный прямослойной древесине; 4 — косой разрыв, вследствие косого направления волокон 5—тупой излом свойственный хрупкой древесине; 6 — лучинистый излом, свойственный вязкой древесине.

Скалывающие напряжения в древесине

Сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, скалыванию поперек волокон, перерезыванию.

В зависимости от плоскости, по которой действуют на образец внешние силы, различают:

  • а) скалывание вдоль волокон, когда внешние силы, действуя параллельно волокнам, стремятся переместить одну их часть относительно другой (по длине волокон);
  • б)скалывание поперек волокон, когда внешние силы, направленные перпендикулярно волокнам, стремятся переместить одну часть их относительно другой в плоскости, параллельной волокнам;
  • в) перерезывание, когда внешние силы, направленные так же перпендикулярно волокнам, стремятся перерезать последние перпендикулярно их длине.

древесина показатели физико механических свойств

Скалывание: 1 — скалывание вдоль волокон; 2 — скалывание поперек волокон; 3 — перерезывание поперек волокон.

При скалывании вдоль и поперек волокон прочность самих древесных волокон не нарушается, а нарушается только сцепление их между собой. Поэтому сопротивление скалыванию значительно меньше сопротивления перерезыванию.
Скалывающие напряжения вдоль волокон возникают в древесине довольно часто, например, в соединениях деревянных элементов.

Скалывающие напряжения поперек волокон испытывают деревянные поперечные шпонки в составных (по высоте) деревянных балках; скалывающие напряжения вдоль волокон — деревянные стропильные затяжки; перерезывание — пластинчатые нагели — дощечки из дуба или бука, применяемые в составных по высоте поперечного сечения балках.
Сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон в общем невелико и составляет 15—25% от сопротивления сжатию в этом же направлении.
Сопротивление скалыванию поперек волокон составляет 30— 80% от сопротивления скалыванию вдоль волокон.
Сопротивление перерезыванию значительно выше (в 3—4 раза) сопротивления скалыванию вдоль волокон, но практически получить чистый срез чрезвычайно трудно, так как в этом случае волокна под действием поперечной сжимающей нагрузки сминаются и изгибаются.

Удерживание гвоздей и шурупов, прочность древесины

Сопротивление выдергиванию гвоздей и шурупов, как установлено опытами, зависит от силы трения, твердости и упругости древесины, а также и от направления волокон, т. е. от того, вколачивают гвоздь в торец или в боковую поверхность доски или бруса.

Способность древесины прочно удерживать гвозди, шурупы, костыли, скобы и т. п. общеизвестна и широко используется. Гвоздь, входя в древесину, подобно клину раздвигает и отчасти перерезывает ее волокна. Разделенные части древесины оказывают на боковую поверхность гвоздя давление, которое и вызывает трение, удерживающее гвоздь. Мерой удерживающей способности гвоздя или шурупа служит величина наибольшего усилия (в килограммах), необходимого для их выдергивания.

Для увеличения трения, а следовательно, для большей прочности скрепления соединяемых элементов вместо гвоздей применяют шурупы или глухари.
Твердые породы обладают более высокой сопротивляемостью выдергиванию гвоздей, чем породы рыхлые, мягкие.

В сырую древесину значительно легче забить гвоздь, но когда она высохнет, гвоздь легче выдергивается, так как уменьшается трение волокон, соприкасающихся с поверхностью гвоздя.
Сопротивление выдергиванию гвоздя, вбитого в торец древесины, на 25—50% меньше (в зависимости от породы дерева) сопротивления выдергиванию гвоздя, вбитого в боковую поверхность (радиальную или тангентальную).

Прочность древесины при долговременных нагрузках

Эта прочность характеризуется так называемым пределом долговременного сопротивления, под которым понимается максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при любой продолжительности действия нагрузки. Впервые определение предела долговременного сопротивления как начала непрекращающихся деформаций, приводящих к разрушению, было дано в Ф. П. Белянкиным, исследовавшим деформации древесины под длительной нагрузкой.

Опытами Ф. П. Белянкина установлено, что деревянные бруски под постоянно действующей и не возрастающей изгибающей нагрузкой при напряжениях ниже предела прочности, определяемого стандартным методом, разрушались по истечении более или менее длительного срока.

Установлено значение предела долговременного сопротивления для основных строительных пород древесины. В среднем оно составляет 0,5—0,6 от предела прочности, определяемого обычными лабораторными испытаниями.


Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями