Какую нагрузку выдерживает дерево

Обновлено: 18.09.2024

Древесина вследствие волокнистого строения отличается высокой прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и значительно меньшей — поперек волокон. У хвойных пород предел прочности при сжатии вдоль волокон в 10-12 раз больше, чем поперек, а у лиственных — в 5-8 раз. Механическая прочность древесины в значительной степени зависит от объемной массы; с увеличением объемной массы древесины повышается прочность.

Прочность зависит от влажности — с повышением влажности она уменьшается. На прочность древесины оказывает влияние лишь изменение количества гигроскопической влаги. При повышении влажности выше точки насыщения волокон прочность древесины практически не уменьшается.

Прочность древесины характеризуется пределом прочности, т.е. напряжением, равным отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения. Деформация древесины может быть различной не только в зависимости от величины действующих сил, но и от продолжительности их воздействия. Так, при кратковременном воздействии определенной силы деформация может быть упругой, а при длительном воздействии той же силы — остаточной и тем большей, чем длительнее воздействие.

Во многих деревянных конструкциях древесина работает на сжатие, смятие, скалывание, изгиб и реже на растяжение как вдоль, так и поперек волокон. В связи с этим древесину испытывают, главным образом, на сжатие вдоль и поперек волокон, на скалывание и изгиб.

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон. Это одно из важных механических свойств древесины. Сопротивление сжатию вдоль волокон составляет значительную величину и колеблется у различных пород от 40 до 60 МПа при стандартной влажности 12% и от 20 до 40 МПа при влажности выше 30%. Сжатие древесины вдоль волокон имеет важное значение при использовании ее для мебели, свай, стоек, стропильных ферм и т. д.

Предел прочности о ₁₂, Па, вычисляют по формуле О_ц * Pab. Здесь Р — максимальное разрушающее усилие, Н; а и b — ширина и толщина образца, м.

Прочность древесины при сжатии поперек волокон. При сжатии древесины поперек волокон в зависимости от породы и направления сжатия (радиального, тангентального) деформация может быть равномерной — однофазной и неравномерной — трехфазной. В последнем случае при испытании вначале наблюдается повышение напряжений и деформации (фаза), затем прирост напряжений почти прекращается и наблюдается только увеличение деформации образца (фаза), далее напряжения начинают возрастать (фаза). Вследствие наличия пофазной деформации испытания на сжатие поперек волокон ведут с регистрацией как усилий, так и величин деформации. За условный предел прочности при сжатии поперек волокон принимают напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, т.е. максимальное значение напряжения на прямолинейном участке диаграммы. Условный предел в 6-10 раз меньше чем при сжатии вдоль волокон.

Прочность при растяжении вдоль волокон. При растяжении древесины вдоль волокон показатель прочности имеет наибольшие значения. Деформация древесины при растяжении (удлинение образца) незначительна. Разрушение происходит в виде разрыва тканей. При высокой прочности разрыв длинноволокнистый, а при низкой — раковистый, почти гладкий. Прочность древесины на растяжение вдоль волокон зависит от породы древесины и находится в пределах 70-170 МПа при

влажности 12%. Увеличение влажности приводит к некоторому снижению прочности. Предел прочности определяют по формуле а = P_max/bh. Здесь b и h — ширина и толщина рабочей части образца, см; Р_тах — максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца; Н.

Прочность при растяжении поперек волокон. Древесина сравнительно слабо сопротивляется растяжению поперек волокон. Величина предела прочности при растяжении вдоль волоконца если есть трещины, это значение вообще может упасть до нуля. Поэтому на практике древесину не применяют для работы на растяжение поперек волокон. Определение величины прочности древесины на растяжение поперек волокон необходимо для разработки безопасных в отношении растрескивания режимов сушки и для обоснования режимов резания.

Прочность древесины при статическом изгибе. При изгибе древесины возникают напряжения растяжения на выпуклой стороне и напряжения сжатия на вогнутой. Кроме того, возникают касательные напряжения при скалывании вдоль волокон. Сопротивление древесины статическому изгибу имеет большое значение во многих конструкциях, изготовляемых из нее, — мебели, лыжах, балках, стропилах, мостах. Предел прочности древесины при статическом изгибе в зависимости от породы колеблется в пределах 70-150 МПа (при влажности 12%). Увеличение влажности приводит к снижению предела прочности до 40-90 МПа (при влажности 30% и выше). Предел прочности при нагружении образца в центре о₁₂ = ЗР _ax/2bh 2 . Здесь — расстояние между центрами опор, см; b — ширина образца, см; h — высота образца (в направлении действия силы), см .

Прочность древесины при сдвиге. При сдвиге на древесину действуют две равные и противоположные по направлению силы. Многие конструкции узлов мебели, мостов, ферм работают на сдвиг. При сдвиге действуют касательные силы, расположенные в плоскости, параллельной действию внешних сил.

Испытание на сдвиг возможно в трех направлениях: скалывание вдоль волокон, скалывание поперек волокон, перерезание древесины поперек волокон. Каждый вид испытания молено проводить в радиальном и тангентальном направлениях. Всего возможны шесть случаев испытания на сдвиг. Наиболее

распространенное испытание — на скалывание вдоль волокон. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для хвойных пород древесины почти не зависит от радиального или танген-тального направления и составляет 6,5-10 МПа. У лиственных пород при радиальном скалывании предел прочности в зависимости от породы находится в пределах 6-16 МПа, при танген-тальном на 10-30% выше, чем при радиальном. Прочность древесины при других случаях сдвига мало изучена. Предел прочности при сдвиге определяют по формуле х = Р/Ы. Здесь b — ширина площади скалывания, см; — длина площади скалывания, см.

Ударная вязкость древесины. При статическом изгибе на древесину действует определенная нагрузка, величина которой либо остается постоянной либо возрастает постепенно. Однако в отдельных случаях изгибающая нагрузка может действовать и более резко: при прыжке на лыжах с трамплина, большой нагрузке на мост или стул, ударе судна о причал. Здесь важно знать о поведении и прочности древесины. Нагрузка при ударном изгибе производится на специальной испытательной машине — маятниковом копре.

Определяют ударную вязкость древесины А, Дж/см 2 , по формуле А₁₂ = Q/nh. Здесь Q — работа, затраченная над илом (по шкале копра), Дж; b — ширина образца, см; h — высота образца, см.

Твердость древесины. С твердостью древесины приходится сталкиваться при изучении ее стойкости на истирание (деревянные полы, паркет, деревянные настилы), при обработке режущим инструментом, скреплении гвоздями (тара строительные блоки). Твердость может быть различной на торцовой, радиальной и тангнентальной поверхностях. Наиболее твердая — торцовая поверхность (22-97 МПа в зависимости от породы при влажности 12%). Твердость радиальной и тангентальной поверхностей почти одинаковы между собой, а по отношению к торцовой ниже на 30-40%. При увеличении влажности твердость уменьшается.

Модули упругости. Способность материала деформироваться, т.е. его жесткость, характеризуется модулем упругости, который представляет собой отношение напряжения в материале к упругой деформации. При растяжении и сжатии модуль упругости Е, МПа, определяют по формуле Е = ст/е (модуль рода). Здесь о — нормальное напряжение, МПа, е — относительная деформация (величина безразмерная).

При действии сдвигающих сил модуль сдвига определяют по формуле G = т/У (модуль рода). Здесь т — касательное напряжение, МПа; У — относительный сдвиг (величина безразмерная), характеризуемый относительным искажением прямого угла. Для определения модуля упругости или сдвига при испытаниях одновременно измеряют напряжения и деформации (с высокой точностью).

Технологические свойства древесины имеют большое значение при изготовлении из нее изделий. К ним относятся обрабатываемость резанием, сопротивление истиранию, способность к загибу, склеиванию и окрашиванию, а также способность удерживать гвозди и другие металлические крепления. Многие из них зависят от объемной массы, влажности и элементов анатомического строения древесины.

Обрабатываемость резанием — пилением, строганием, долблением и сверлением — зависит от твердости древесины и определяется усилием на обработку и степенью чистоты поверхности. Твердая и плотная древесина обрабатывается легче и чище, чем мягкая. Чем выше влажность древесины, тем труднее ее обрабатывать; практически невозможно чисто обработать поверхность влажной древесины. На мягкой древесине (ива, тополь, осина, липа) часто остаются царапины и вмятины. Больше усилий затрачивается на обработку древесины с повышенной объемной массой.

Сопротивление истиранию зависит от направления волокон, объемной массы, твердости и влажности древесины. Сопротивление истиранию с торца значительно больше, чем с боковой поверхности. С повышением объемной массы и твердости сопротивление истиранию возрастает, а при увеличении влажности — уменьшается. Истирание древесины происходит в результате постепенного разрушения поверхности под воздействием мелких твердых частиц и трения, при этом мелкие частицы удаляются неровностями трущихся деталей.

Способность древесины к загибу учитывают при изготовлении гнутой мебели, колец, полуколец и других

криволинейных деталей, а также бочек, ободов, дуг, т.е. в тех случаях, когда необходимо придать форму шаблона без разрушения волокон древесины и снижения механической прочности. Способность к загибу, как правило, выше у кольцесосуди-стых пород (дуба, ясеня и др.) и некоторых рассеяннососудистых пород с повышенной пластичностью, например бука. Уплотнение древесины происходит за счет крупных сосудов, без разрушения волокон. Способность древесины к загибу повышается по мере увеличения ее влажности до точки насыщения, а также температуры. При вбивании гвоздей в твердую древесину приходится затрачивать больше усилий. В этом случае в древесине высверливают отверстия диаметром на 0,2-0,3 мм меньше толщины гвоздя.

Способность древесины удерживать гвозди, шурупы и другие крепления имеет большое значение как в строительстве, так и при сборке мебели. Гвоздь, вбитый в древесину, испытывает давление ее отдельных частей, которое и удерживает его за счет трения. Показателем способности древесины удерживать крепления является усилие, необходимое для выдергивания гвоздя (в Н на м 2 поверхности соприкосновения гвоздя с древесиной). Это усилие зависит от породы, направления волокон, объемной массы и влажности древесины. Поперек волокон оно на 25% выше, чем вдоль. С увеличением объемной массы удельное усилие возрастает. При высыхании древесины способность удерживать крепление снижается вследствие уменьшения упругости волокон. Удерживающая способность древесины твердых пород в несколько раз выше, чем мягких. Удельное усилие для выдергивания шурупов при прочих равных условиях в 2 раза выше, чем для выдергивания гвоздей.

Коэффициент качества — это отношение показателя механических свойств к плотности материала. Если сравнить коэффициенты качества* различных материалов при растяжении, окажется, что древесина по этому показателю стоит выше многих металлов, соперничая с лучшими сортами стали: Сталь легированная 0,95-2,3

Стальное литье 0,45-0,55

Коэффициенты качества могут быть определены для любого показателя прочности. При сравнении показателей хвойных и лиственных пород древесины можно установить, что лиственные породы по многим механическим свойствам превосходят хвойные. Однако показатели качества при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у лиственных.

Допускаемые напряжения для древесины. Прочностные показатели, полученные при различных видах нагрузки, являются предельными и не могут служить исходными данными при расчете конструкций из древесины по разным причинам. Во-первых, для удовлетворительной работы деревянных конструкций необходим определенный запас прочности. Во-вторых, в реальных условиях прочность древесины может быть ниже, чем при испытаниях, из-за несовпадения направления волокон, наклона волокон, изменения влажности, пороков в древесине (сучков, гнили и др.), влияния колебаний температуры и т. д. Поэтому при расчете конструкции принимают так называемые допускаемые напряжения. Отношение величины предела прочности к величине допускаемого напряжения называется коэффициентом запасам.

Вследствие анизотропности строения древесины и значительной изменчивости ее свойств во времени и под влиянием различных факторов коэффициенты запаса для нее устанавливаются более высокими, чем для металлов. Коэффициенты запаса для сжатия и скалывания составляют от 3 до 5, при растяжении

Для расчета элементов из сосны и ели, эксплуатируемы в сухом помещении при длительных нагрузках, принимают следующие допускаемые напряжения, МПа: изгиб и сжатие вдоль волокон — 10; растяжение вдоль волокон — 7; перерезание поперек волокон — 4,5; смятие поперек волокон — 3,5; скалывание вдоль волокон — 1-2; скалывание поперек волокон 0,5. Для древесины ясеня, дуба, клена допускаемые напряжения могут быть выше в 2 раза, кроме скалывающих напряжений, которые выше в 1,6 раза.

Факторы, влияющие на механические свойства древесины

В табл. сопоставлены объемная масса и показатели прочности древесины хвойных и лиственных пород.

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

Общая тенденция состоит в том, что чем плотнее древесина, тем большую прочность Она имеет. Плотность и прочность древесины 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%.

Пороки древесины понижают ее прочность.

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

К механическим свойствам древесины относятся: прочность, твёрдость, жёсткость, ударная вязкость и другие.

Прочность — способность древесины сопротивляться разрушению от механических усилий, характеризующихся пределом прочности. Прочность древесины зависит от направления действия нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков.

Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении количества связанной влаги прочность древесины уменьшается (особенно при влажности 20-25%). Дальнейшее повышение влажности за предел гигроскопичности (30%) не оказывает влияния на показатели прочности древесины. Показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины. Кроме влажности на показатели механических свойств древесины оказывает влияние и продолжительность действия нагрузок.

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, её определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см2 (кгс на 1 см2) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см2 (кг с/см2).

Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангенциальном направлении. Различают основные виды действий сил: растяжение, сжатие, изгиб, скалывание. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в таблицах.

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

Предел прочности на растяжение. Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 1300 кгс/см2. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

Прочность древесины при растяжении поперёк волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть от предела прочности при растяжении вдоль волокон, то есть 65 кгс/см2. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперёк волокон. Прочность древесины на растяжение поперёк волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины.

Рис. 1. Испытание механических свойств древесины на сжатие: а — вдоль волокон; б — поперек волокон — радиально; в — поперек волокон — тангенциально.

Предел прочности при сжатии. Различают сжатие вдоль и поперёк волокон. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. Разрушение при сжатии начинается с продольного изгиба отдельных волокон, которое во влажных образцах из мягких и вязких пород проявляется как смятие торцов и выпучивание боков, а в сухих образцах и в твёрдой древесине вызывает сдвиг одной части образца относительно другой.

Средняя величина предела прочности при сжатии вдоль волокон для всех пород составляет 500 кгс/см2.

Прочность древесины при сжатии поперёк волокон ниже, чем вдоль волокон примерно в 8 раз. При сжатии поперёк волокон не всегда можно точно установить момент разрушения древесины и определить величину разрушающего груза.

Древесину испытывают на сжатие поперёк волокон в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами (дуб, бук, граб) прочность при радиальном сжатии выше в полтора раза, чем при тангенциальном; у хвойных — наоборот, прочность выше при тангенциальном сжатии.

Рис. 2. Испытание механических свойств древесины на изгиб.

Предел прочности при статическом изгибе. При изгибе, особенно при сосредоточенных нагрузках, верхние слои древесины испытывают напряжение сжатия, а нижние — растяжения вдоль волокон. Примерно посередине высоты элемента проходит плоскость, в которой нет ни напряжения сжатия, ни напряжения растяжения. Эту плоскость называют нейтральной; в ней возникают максимальные касательные напряжения. Предел прочности при сжатии меньше, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон. Предел прочности древесины зависит от породы и влажности. В среднем для всех пород прочность при изгибе составляет 1000 кгс/см2, то есть в 2 раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Рис. 3. Сдвиг древесины: а — вдоль волокон; б — перпендикулярно волокнам.

Рис. 4. Сдвиг деталей: а — обыкновенный; б — двойной.

Прочность древесины при сдвиге. Внешние силы, вызывающие перемещение одной части детали по отношению к другой, называют сдвигом. Различают три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, поперёк волокон и перерезание.

Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород, имеющих широкие сердцевинные лучи (бук, дуб, граб), прочность на скалывание по тангенциальной плоскости на 10-30% выше, чем по радиальной.

Предел прочности при скалывании поперёк волокон примерно в два раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность древесины при перерезании поперёк волокон в четыре раза выше прочности при скалывании.

Рис. 5. Направление сил в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой: 1 — сдвиг на скалывание; 2 — сжатие; 3 — растяжение; 4 — изгиб; 5 — сжатие.

Твёрдость - это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определённой формы. Твёрдость торцовой поверхности выше твёрдости боковой поверхности (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% у хвойных. По степени твёрдости все древесные породы можно разделить на три группы: 1) мягкие — торцовая твёрдость 40 МПа и менее (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан); 2) твёрдые — торцовая твёрдость 40,1-80 МПа (лиственница, сибирская берёза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клён, лещина, орех грецкий, хурма, яблоня, ясень); 3) очень твёрдые — торцовая твёрдость более 80 МПа (акация белая, берёза железная, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).

Твёрдость древесины имеет существенное значение при обработке её режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве полов, лестниц перил.

Древесина – это достаточно популярный материал, который находит свое применение в разнообразных сферах человеческой жизни. При этом далеко не каждый человек знает о том, что сырье обладает целым рядом уникальных характеристик. Сегодня в нашей статье мы подробно рассмотрим механические свойства древесины.

Особенности

Механические свойства древесины характеризуют общее качество материала и находятся с ним в прямо пропорциональном соотношении. К важнейшим показателям механической прочности относится способность дерева выдерживать нагрузки как статического, так и динамического типа.

Для того чтобы определить механические свойства, которыми обладает материал, его растягивают, сжимают, изгибают и сдвигают. При этом стоит иметь в виду тот факт, что древесину называют анизотропным материалом, соответственно, сырье может обладать различными свойствами в зависимости от того, в каком направлении на него оказывается воздействие. Всего существует 2 направления: радиальное и тангенциальное.

Что такое прочность и от чего зависит?

Важнейшая механическая черта древесины – это ее прочность. Прочностные характеристики оказывают прямое влияние на то, каким образом и на каком уровне материал может сопротивляться и противостоять нежелательным разрушениям.

Стоит отметить тот факт, что существует прямая зависимость между прочностью и направлением воздействия на древесину. Так, прочность сырья в 20 раз увеличивается при оказании воздействия вдоль волокон, чем если давление будет оказываться поперек.

Это интересно. Показатели допустимой прочности и ее пределы (как минимальные, так и максимальные) невозможно определить самостоятельно в домашних условиях. Подобные процедуры производятся исключительно в лабораторных условиях. При этом опыты и эксперименты осуществляются исключительно на основании действующих государственных нормативных актов.

Следует отметить тот факт, что на уровень прочности и упругости влияет уровень влажности. Так, при увлажнении происходят специфические реакции внутри древесины, которые уменьшают ее прочность. При этом данное положение является актуальным только в том случае, если уровень влаги поднимается до 25%. Дальнейшее увлажнение не отличается какими-либо существенными реакциями и не влияет на показатели прочности. Это понимают специалисты.

Для того чтобы сравнить показатели прочности разных пород, необходимо убедиться в том, что показатели их влажности являются идентичными – только в таком случае можно говорить об объективном и беспристрастном результате.

Помимо влажности при измерении прочности также важно обращать внимание на характер и продолжительность нагрузок. Так, например, статические нагрузки отличаются постоянством. Кроме того, для них характерно медленное и постепенное возрастание. С другой стороны, динамические нагрузки являются относительно короткими. Так или иначе, разрушать древесину могут и те, и другие нагрузки.

Стоит также иметь в виду, что показатели прочности, ее пределы и лимиты различаются в зависимости от конкретного вида деформации.

Растяжение. Если говорить о прочности древесины на растяжение, то данный показатель составляет 1 300 кгс/см2 (причем данный параметр является актуальным для всех сортов). В такой ситуации решающее значение имеет внутренняя структура древесины. Если волокна расположены правильно и структурировано, то прочность увеличивается (и наоборот). Прочность различается в зависимости от того, в каком направлении растягивают древесину – вдоль или поперек. В первом случае показатель довольно велик, а во втором – он в 20 раз меньше и составляет 65 кгс/см2. Именно в связи с такими механическими чертами дерево редко используется при создании изделий, которые работают на поперечное растяжение.

Сжатие. Как и любое другие воздействие на древесину, оно может осуществляться как в продольном, так и в поперечном направлении. Если говорить о сжатии вдоль волокон, то стоит отметить, что в данном случае порода будет укорачиваться (именно так и будет проявляться вовне процесс деформации). При этом также стоит учитывать, что прочность древесины, которую сжимают не вдоль, а поперек значительно уменьшается, конкретно – в 8 раз. В лабораторных условиях дерево сжимают в радиальном и тангенциальном направлениях. В ходе проведения подобных экспериментов учеными доподлинно было установлено, что прочность у различных пород при сжатии является неодинаковой. Так, более высокими показателями при радиальном сжатии отличаются породы с сердцевинными лучами. С другой стороны, хвойные деревья проявляют достаточно высокие показатели прочности даже при тангенциальном сжатии.

Статический изгиб. Отличительная черта такого типа воздействия, как статический изгиб, состоит в том, что различные слои древесины получают различное воздействие, а именно – верхние слои древесины получают напряжение сжатия, а нижние — растяжения вдоль волокон. Между верхними и нижними слоями находится особый слой, который не испытывает какого-либо давления. Традиционно этот слой называют нейтральным. Изначально разрушение материала начинается в нижней растянутой зоне, в связи с чем разрываются крайние волокна древесины. Существует средний показатель прочности, который характерен для большого количества древесных пород, он составляет 1 000 кгс/см2 (при этом могут существовать отклонения от данного показателя в зависимости от уникальных показателей каждой конкретной породы, а также от уровня влажности).

Сдвиг. По существу, сдвиг – это деформация, которая представляет собой смещение одной части по отношению к другой. Существует несколько разных типов сдвига: скалывание (оно может происходить в любом направлении), а также перерезание. В этом случае особенно важно следить за тем, насколько прочным остается дерево. Так, скалывание вдоль негативно влияет на прочностные показатели, более прочной остается порода при поперечном скалывании.

Как мы смогли убедиться, прочность – это важнейшая механическая характеристика дерева. При этом на ее уровень могут влиять самые разные воздействия. Все эти факторы следует учитывать в процессе эксплуатации материала, чтобы не нарушить его целостность.

Другие основные механические свойства

Помимо прочности древесина характеризуется и другими механическими и физико-механическими свойствами. Рассмотрим подробнее основные из них.

Твердость

В первую очередь необходимо сказать о такой характеристике природного материала, как твердость. Твердость относится к важнейшим чертам материала и представляет собой способность сырья оказывать сопротивление по отношению к внедрению твердого тела определенной формы. Различают торцевую и боковую твердость (в зависимости от стороны материала, на которую оказывается воздействие). Торцевая твердость является более высокой по своим показателям.

Важно. Следует отметить такой факт: несмотря на то, что некоторые породы дерева отличаются повышенным уровнем твердости, данный материал все же уступает по данным характеристикам такому сырью, как, например, металл.

В зависимости от показателей твердости такой строительный материал, как древесина, подразделяется на 3 основные группы:

мягкие (например, сосна, ель, кедр, пихта, липа, осина, ольха, каштан и т. д.);
твердые;
особо твердые.

Соответственно, при изготовлении тех или иных изделий очень важно учитывать такой параметр, как твердость. Например, из мягких сортов желательно изготавливать декоративные элементы, а для создания опорных конструкций подойдут только особенно твердые разновидности.

Твердость древесины имеет решающее значение в ходе применения и обработки материала. В зависимости от ваших конкретных потребностей и сферы применения древесины наиболее актуальным и подходящим может оказаться тот или иной вариант.

Ударная вязкость

Еще одна важная характеристика, которая различается у определенных пород дерева (например, у клена и ели), – это ударная вязкость. Данное свойство обозначает и определяет способность материала поглощать динамические нагрузки. При этом, чем выше показатель ударной вязкости, тем меньше разрушений и нарушений целостности вы будете наблюдать на дереве в процессе приложения этих самых динамических нагрузок. В целом можно сказать о том, что для большинства пород данный показатель находится на достаточно высоком уровне.

Износостойкость

На износостойкость следует обращать особое внимание, так как именно данный параметр определяет то, способна ли древесина оказывать противостояние по отношению к продолжительным нагрузкам трения. В зависимости от того, насколько высока износостойкость, будет значительно различаться возможный срок эксплуатации материала. На уровень износостойкости решающее влияние оказывает направление распила и уникальные характеристики каждой конкретной породы дерева. При этом следует иметь в виду тот факт, что высокие показатели износостойкости характерны для торцевых поверхностей. По показателям износостойкости различается сухая и влажная древесина – первая обладает более высоким уровнем.

Способность удерживать металлические крепления

Как было сказано выше, дерево – это один из самых популярных, распространенных и востребованных материалов, который используется для создания мебели, декоративных элементов и большого количества других изделий. Соответственно, при его обработке в него вбивается большое количество креплений, чаще всего – металлических. Поэтому такой показатель, как способность удерживать металлические крепления, имеет важнейшее значение. Так, например, гвозди могут разрезать или раздвигать волокна дерева, а шурупы могут цеплять волокна.

Способность изгибаться

Для того чтобы создать функциональные и эстетически привлекательные изделия, дерево необходимо сгибать. В связи с этим способность изгибаться – это еще одно важное механическое свойство древесины. Следует учитывать, что разные породы характеризуются различными уровнями возможности сгибания. Так, например, в отношении хвойных пород действует правило о том, что при сгибании хвою необходимо смочить, а вот сухое дерево практически не гнется (а при приложении высокого давления оно и вовсе может сломаться).

Деформативность

Деформативные характеристики также являются важнейшими. Они влияют на то, насколько быстро (и могут ли вообще) древесные породы восстанавливаются после оказания на них кратковременного динамического воздействия. В сочетании с деформативностью важную роль играет и такая характеристика, как модель упругости.

В связи с тем, что древесина используется в самых разных сферах человеческой жизни и является одним из самых востребованных материалов, очень важно подробно знать все ее свойства. Соответственно, перед использованием материала для создания тех или иных изделий (например, мебели, декоративных элементов и т. д.) следует тщательно изучить все химические, физические и механические свойства. Только в таком случае созданное вами изделие будет прочным и надежным. Помните, что разные типы древесины пригодны для разных целей. Кроме того, некоторые породы вообще нельзя подвергать воздействию, иначе они попросту разрушатся. Эти знания особенно актуальны для профессиональных краснодеревщиков и других представителей строительной сферы.

Целлюлозные цепочки всегда представляют собой нитевидные молекулы. Растительная клетка имеет форму трубки, стенки которой образованы длинными, уложенными приблизительно параллельно нитевидными молекулами целлюлозы.

Таким образом, с инженерной точки зрения любую древесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материал этих трубок по существу для всех пород одинаков, то прочность древесины зависит от толщины стенок и, следовательно, от средней плотности древесины.

Механические качества древесины не отличаются от свойств, которые можно ожидать от пучка трубок или волокон.

Прочность древесины определяют путем испытания малых, чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.

Прочность древесины как анизотропного волокнистого материала в большой степени зависит от того, под каким углом к волокнам будет направлена сила (рис. 7).

Прочность древесины зависит также от породы дерева, средней плотности, косвенно характеризующей пористость древесины, наличия пороков и влажности.

Прочность древесины определяют на небольших лабораторных образцах без пороков.

Прочность при сжатии определяют вдоль и поперек волокон. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4-6 раз больше, чем прочность поперек волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон – около 100 МПа, а поперек – только 20- 25 МПа.

Прочность древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии.

Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как у высокопрочной стали и стекло-пластика.

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 достаточно 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.

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. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для большинства применяемых в строительстве 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 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% больше, 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.) – более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.

Факторы, влияющие на механические свойства древесины. Общая тенденция состоит в том, что, чем плотнее древесина, тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древесины возрастает, если лес растет на возвышенных местах и песчаных почвах.

Прочностные характеристики древесины несколько снижаются с повышение температуры.

По этой причине в отличие от других строительных материалов сорта лесоматериалов определяют не по прочности образцов, а на основании тщательного осмотра материала и оценки имеющихся в нем пороков.

Читайте также: