Механические свойства древесины как анизотропного материала не одинаковы в различных направлениях и зависят от многих факторов, поэтому их определяют путем испытания малых чистых ( без видимых пороков ) образцов древесины.
Механические свойства древесины зависят от многих факторов : с увеличением влажности прочность древесины снижается; древесина большой плотности имеет более высокую прочность; на прочность древесины влияют процент поздней древесины, наличие пороков, старение и гнили. Механические свойства древесины определяют путем испытания малых чистых (без видимых пороков) образцов древесины.
Читай далее на http://stroivagon.ru физические свойства древесины
Рисунок-1. Влияние влажности на прочность древесины
Минимальное количество образцов для проведения испытания вычисляют по формулам в зависимости от коэффициента вариации изучаемого свойства. Показатели свойств древесины должны быть пересчитаны на влажность 12% (в случае необходимости — на влажность 15%). Как видно из рисунка -1, прочность древесины понижается когда ее влажность возрастает от 0 до 30 % ( до предела гигроскопичности), при этом в интервале влажности от 8 до 20% понижение прочности прямо пропорционально приросту влажности:
R12=Rw[1+α(W-12)],где Rw-предел прочности образца с влажностью W в момент испытания; R12-то же, при влажности 12%; α-коэффициент снижения прочности древесины при увеличении ее влажности на 1%. После того как древесина достигла предела гигроскопичности (30%), дальнейшее увеличение влажности не влияет на ее прочность (рис. 1). Поэтому предел прочности образца с влажностью равной и большей предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12% по формуле: R12=Rw·ℜ12, где —ℜ12 пересчетный коэффициент для данной породы дерева.
Прочность древесины характеризуется пределами прочности при сжатии, статическом изгибе, растяжении и скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон. На рисунке-2 представлены схемы основных испытаний древесины.
Рисунок-2. Схема испытания древесины
а) -на прочность при сжатии; б) -на прочность при изгибе; в)-на прочность при скалывании вдоль волокон; г)-на твердость.
Прочность при сжатии определяют путем испытания образцов, имеющих форму параллелепипеда основанием 20 х 20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм( рисунок 2,а). Определяют пределы прочности древесины 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 при изгибе определяют путем испытания образцов по схеме ( смотри рисунок-2, б). Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии. Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон (Rp/γ) примерно такая же, как у высокопрочной стали и стеклопластика( смотри таблицу-1).
Таблица-1. Удельная прочность при растяжении некоторых строительных материалов
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 очень 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 (рис. 2,б»).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. Для определения предела прочности при скалывании используют специальные образцы и приспособления (рис. 2,в). Предел прочности при скалывании вдоль волокон для основных 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 (рис. 2, г) 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% выше, 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.) — 50 — 100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) — более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.
Твердость древесины понижается при увлажнении. Ударную твердость Hw y (Дж/см²) вычисляют по формуле: Hw y = 4mgh/(π·d²),
где m-масса стального шарика диаметром 2,5 мм, падающего на образец древесины; g-ускорение земного притяжения, h-высота падения шарика ( по стандарту равна 50 см); d-средний геометрический диаметр отпечатка, вычисляемый по формуле d=√d1·d2, где d1-диаметр отпечатка поперек волокон; d2-то же, вдоль волокон. Ударную и статическую твердость пересчитывают к влажности 12%. Модуль упругости при статическом изгибе Ew древесины с влажностью W определяют нагружая образец покоящийся на двух опорах, двумя сосредоточенными силами. Модуль упругости вычисляют по формуле :
Ew=3Pl 3 /(64bh 3 f), где Р-нагрузка ; l-расстояние между опорами (0,24 м);b и р-ширина и толщина образца ; а-прогиб образца в зоне чистого изгиба. Модуль упругости Ew образца с влажностью 8-20% пересчитывают к влажности 12% по формуле: Е12=Ew/[1-α(W-12)]. Пересчетный коэффициент α=0,01 на 1% влажности.
Модуль упругости образцов с влажностью равной или большей предела гигроскопичности, пересчитывают к влажности 12% по формуле: Е12=Ew·ℜ12.
Пересчетный коэффициент равен 1,25 для хвойных пород; для различных лиственных пород он колеблется от 1,12 до 1,3. Модуль упругости воздушно-сухой сосны и ели — 10 000 — 15 000 МПа, он возрастает с увеличением плотности древесины, а увлажнение его снижается. Известно, что гнуть сырую древесину легче, чем сухую. Еще больше облегчает гнутье древесины пропаривание — это удобный способ нагрева древесины без ее высушивания.
Особенностью древесины является ползучесть, проявляющаяся особенно во влажных условиях. Следствием ползучести является постепенное увеличение деформаций (прогибов балок, провисание тесовых крыш и т. д.) при длительном действии нагрузки.
Факторы, влияющие на механические свойства древесины.
Таблица-2. Средние показатели механических свойств древесины хвойных и лиственных пород (при 15%-ной влажности)
В табл. 2 сопоставлены объемная масса и показатели прочности древесины хвойных и лиственных пород, произрастающих в СССР. Общая тенденция состоит в том, что, чем плотнее древесина, тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность пород 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%. Показатели прочности древесины в весьма большей степени зависят от того, под каким углом к волокнам направлена сила. Если принять за 100% предел прочности древесины вдоль волокон, то сопротивление сжатию поперек волокон составит 20 — 30%, а растяжению — всего лишь 2 — 3%.
Пороки древесины понижают ее прочность.Пороками называют недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможности ее 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.