Сопративления древесины: растяжению, сжатию, перерезыванию и скалыванию, изгибу

Сопротивление древесины растяжению

Волокнистое строение древесины заставляет строго различать растяжение вдоль и поперек волокон. Из всех видов действия внешних сил древесины лучше всего сопротивляется растяжению вдоль волокон; механические ткани древесины в этом отношении выдерживают сравнение даже с металлами.

Однако несмотря на это она сравнительно редко применяется для деталей, подвергаемых растяжению. Причиной этого является трудность передачи усилия, т. е. закрепления концов детали, где возникают напряжения скалывания и смятия, а так как древесина плохо сопротивляется этим видам напряжений, то практически разрушение при растяжении происходит не в форме разрыва, а в виде скалывания или смятия в местах закрепления деталей.

Предел пропорциональности по данным Мухина для ясеня оказался равным 0,71, а для дуба 0,77 от величины временного сопротивления. Исключительно большое влияние на сопротивление растяжению вдоль волокон оказывает угол между направлением силы и направлением волокон. Если этот угол достигает 90°, то мы будем иметь случай растяжения поперек волокон, когда сопротивление весьма мало, вследствие чего в строительных конструкциях избегают применять ее для работы под такой нагрузкой.

Тем не менее сопротивление растяжению поперек волокон имеет весьма существенное значение при сушке (растрескивание) или соединениях гвоздями. Древесина хвойных пород лучше сопротивляется растяжению вдоль волокон, чем лиственных, что объясняется большей прямоволокнистостью хвойных.

В то же время лиственные породы лучше сопротивляется растяжению поперек волокон, в особенности если она имеет широкие сердцевинные лучи. Влияние последних ясно обнаруживается при сопоставлении сопротивления радиальному и тангентальному растяжению: сопротивление в первом случае обычно оказывается выше, причем различие тем больше, чем крупнее сердцевинные лучи (дуб, бук).

Сопротивление сжатию

Так же, как и при растяжении, необходимо различать сжатие вдоль и поперек волокон, т. к. поведение древесины в этих двух случаях неодинаково. Наиболее изученным механическим свойством является ее сопротивление сжатию вдоль волокон.

Простота приложения усилия, довольно высокое сопротивление, в этом случае, обусловливают, что она весьма часто применяется в условиях работы на сжатие вдоль волокон. В качестве многочисленных примеров можно указать на сваи, стойки, стропильные фермы, мебель, спицы в колесах и ир.

Практическая важность этого вида сопротивления, возможность характеризовать на основе его другие механические свойства, а также простота производства испытания как следствие удобства приложения силы позволили накопить большой опытный материал, характеризующий сопротивление древесины сжатию вдоль волокон.

Однако при пользовании ранее получаемыми данными необходимо иметь в виду, что они часто страдают существенными недостатками:

1. при испытаниях не учитывалось или недостаточно учитывалось влияние влажности;
2. испытывались единичные, часто случайные образцы;
3. не учитывалось влияние скорости нагружения при испытаниях, а также зависимость результатов от формы и размеров образца.

По ОСТ образцы для испытаний на сжатие вдоль волокон имеют форму прямоугольной призмы размерами 2 х 2 х х 3 см (последний размер по длине волокон).

Само испытание производится весьма просто: образец помещается между платформами машины-пресса и доводится до разрушения плавно возрастающей, со скоростью 1 500 кг ± 20% в мин. на весь образец, нагрузкой.

Для испытаний пригодна любая машина-пресс соответствующей мощности (для стандартных образцов достаточно 4 —5 т), одна из платформ которой должна иметь шаровую опору. При испытаниях обычно отсчитывают разрушающий груз в кг, который, будучи отнесен к площади поперечного сечения в см2, дает временное сопротивление сжатию в кг/см2. После испытания определяется влажность образца, и результаты приводятся к 15% влажности.

По сравнению с сопротивлением растяжению сопротивление сжатию вдоль волокон примерно в 2—3 раза ниже и подвержено меньшей изменчивости (вариационный коэф. 12—15%).

Тем не менее колебания цифр не только для древесины разных пород, но и в пределах одной породы весьма значительны; так, для дуба сопротивление сжатию колебалось от 320 до 685 кг/см2 (при 15% влажности). Предел пропорциональности (по Перелыгину) для дуба и ясеня при 15% влажности составляет 0,84 временного сопротивления.

Сопротивление перерезыванию и скалыванию

Благодаря волокнистому строению при действии на нее сил, вызывающих деформации сдвига, надлежит различать три случая:

1. внешние силы стремятся перерезать волокна перпендикулярно их длине (перерезывание поперек волокон);
2. внешние силы действуют также перпендикулярно волокнам, но стремятся сдвинуть одну часть образца относительно другой, не перерезая волокон, а перемещая их параллельно самим себе (скалывание параллельно волокнам);
3. внешние силы направлены вдоль волокон и стремятся сдвинуть одну часть образца относительно другой в том же направлении (скалывание вдоль волокон).

Очевидно, что каждый из этих случаев должен быть подразделен еще на два в зависимости от того, направлены ли действующие силы в первом случае перпендикулярно или параллельно годовым слоям, а во втором и третьем, — происходит ли скалывание в плоскости сердцевинных лучей или по годовым слоям.

Сопротивление древесины перерезыванию поперек волокон почти не изучено. В этом случае будут иметь место смятие и изгиб волокон над действием срезающего усилия. Так как сопротивление сжатию поперек волокон значительно меньше, чем перерезыванию, то разрушение в подобных случаях начинается от сильного местного сжатия и почти никогда от перерезывания. Это явление наблюдается например при разрушении балок со слишком малой опорной поверхностью и при разрушении соединений деревянных стоек с раскосами.

При испытаниях шпал, где данный случай действия сил имеет место, для хвойных пород (сосна, ель) получено (по Белелюбскому) временное сопротивление от 400 до 500 кг/cм2, а для твердых лиственных (дуб, бук) — от 600 до 740 кг/см2.

Еще менее изучено скалывание параллельно волокнам, хотя оно часто встречается в практике (деревянные шпонки, продольные пазы и гребни и пр.). Для древесины пород с широкими сердцевинными лучами сопротивление скалыванию по годовым слоям (тангентальному) заметно выше, чем радиальному; обратное явление наблюдается для хвойных и некоторых кольцепоровых лиственных пород (ясень), где разрушение в случае тангентального скалывания происходит по слабой ранней древесины.

Сопротивление скалыванию вдоль волокон имеет большое практическое значение, т. к. применение в строительстве, где этот вид действия сил часто встречается и играет важную роль, неуклонно расширяется; древесина употребляется теперь для конструкций такой сложности и таких систем, которые не так давно строились только из металла.

Временное сопротивление скалыванию по сравнению со сжатием вдоль волокон составляет примерно 1/6—1/7 для хвойных и 1/4—1/6 для лиственных. Сопротивление тангентальному скалыванию (по годовым слоям) лиственных пород заметно выше, чем радиальному, что объясняется влиянием сердцевинных лучей. В хвойных породах заметной разницы между этими двумя случаями скалывания не наблюдается. Особенно сильное влияние на сопротивление скалыванию оказывают общие или местные нарушения правильности строения: волнистость, свилеватость, завитки, мелкие заросшие сучья и пр.

Сопротивление изгибу

Статическому поперечному изгибу древесина оказывает довольно высокое сопротивление, почему ее часто применяют для работы под такой нагрузкой как в строительстве (всевозможные балки, стропила, фермы, подмости, мосты и пр.).
Табл. 1. Характеристика временного сопротивления кручению.