Прочность дереву обеспечивает что
Механические свойства древесины
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).
Диаграмма растяжения – сжатия древесины вдоль волокон представлена на рис. 8. в области растяжения она практически линейна, а дерево при этом ведет себя как хрупкий материал. При испытании на сжатие кривая «напряжение-деформация» существенно не линейна.
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.
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.
Стандартные методы определения механических свойств на малых «чистых» образцах позволяют сравнивать между собой прочность древесины одной породы или разных пород и оценивать общее качество древесины из данного лесонасаждения. Несмотря на это фактическая прочность строительной древесины в элементах стандартных размеров (досок, брусьев, бревен), в которых имеются те или другие дефекты строения и другие особенности, может быть значительно ниже. Поэтому при нормировании допускаемых напряжении (расчетных сопротивлений) устанавливается относительно большие коэффициенты запаса прочности.
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.
Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы
Справочник | Лесоматериалы | Деревянное строительство
Вы здесь
Механические свойства древесины
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 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.
Твёрдость древесины
Эбеновое дерево
Акация белая
Олива
Падук
Ярра
Афромозия
Кумару
Граб
Лапачо
Вяз гладкий
Амарант
Берёза
Орех грецкий
Тиковое дерево
Кемпас
Ирокко (камбала)
Бамбук
Вишня
Панга-панга
Ольха
Венге
Лиственница
Гуатамбу
Клён полевой
Клен остролистый
Сосна
Ясень
Сосна корейская
Мербау
Осина
Сукупира
Кумьер
Ятоба (мерил)
Груша
Свитения (махагони)
Сапелли
Дуссие
Липа
Мутения
Каштан
| Порода дерева | Твердость, МПа (кгс/см 2 ) | ||
| для поверхности поперечного разреза | для поверхности радиального разреза | для поверхности тангенциального разреза | |
| Липа | 19,0(190) | 16,4(164) | 16,4(164) |
| Ель | 22,4(224) | 18,2(182) | 18,4(184) |
| Осина | 24,7(247) | 17,8(178) | 18,4(184) |
| Сосна | 27,0(270) | 24,4(244) | 26,2(262) |
| Лиственница | 37,7(377) | 28,0(280) | 27,8(278) |
| Береза | 39,2(392) | 29,8(298) | 29,8(298) |
| Бук | 57,1 (571) | 37,9(379) | 40,2(402) |
| Дуб | 62,2(622) | 52,1(521) | 46,3(463) |
| Граб | 83,5(835) | 61,5(615) | 63,5(635) |
Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше, чем у древесины хвойных пород. Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величина которого тем больше, чем меньше твёрдость древесины.
Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.
Способность древесины удерживать металлические крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. — важное её свойство. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдёргиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдёргивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдёргивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдёргивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.
Основные технические свойства различных древесных пород
| Порода дерева | Коэффициент усушки, % | Механическая прочность для древесины с 15 %-ной влажностью, МПа (кгс/см 2 ) | ||||
| в радиальном направлении | в тангенциальном направлении | на сжатие вдоль волокон | на изгиб | скалывание | ||
| в радиальной плоскости | в тангециальной плоскости | |||||
| Хвойные древесные породы | ||||||
| Сосна | 0,18 | 0,33 | 43,9 | 79,3 | 6,9(68) | 7,3(73) |
| Ель | 0,14 | 0,24 | 42,3 | 74,4 | 5,3(53) | 5,2(52) |
| Лиственница | 0,22 | 0,40 | 51,1 | 97,3 | 8,3(83) | 7,2(72) |
| Пихта | 0,9 | 0,33 | 33,7 | 51,9 | 4,7(47) | 5,3(53) |
| Твердолиственные древесные породы | ||||||
| Дуб | 0,18 | 0,28 | 52,0 | 93,5 | 8,5(85) | 10,4(104) |
| Ясень | 0,19 | 0,30 | 51,0 | 115 | 13,8(138) | 13,3(133) |
| Береза | 0,26 | 0,31 | 44,7 | 99,7 | 8,5(85) | 11(110) |
| Клен | 0,21 | 0,34 | 54,0 | 109,7 | 8,7(87) | 12,4(124) |
| Ильм | 0,22 | 0,44 | 48,6 | 105,7 | — | 13,8(138) |
| Вяз | 0,15 | 0,32 | 38,9 | 85,2 | 7(70) | 7,7(77) |
| Мягколиственные древесные породы | ||||||
| Осина | 0,2 | 0,32 | 37,4 | 76,6 | 5,7(57) | 7,7(77) |
| Липа | 0,26 | 0,39 | 39 | 68 | 7,3(73) | 8(80) |
| Черная ольха | 0,16 | 0,23 | 36,8 | 69,2 | — | — |
| Черная осина | 0,16 | 0,31 | 35,1 | 60 | 5,8(58) | 7,4(74) |
Нормативная сопротивляемость чистой древесины сосны и ели
Средние показатели сопротивления древесины выдергиванию гвоздей
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: