Свойства древесины

Плотность. Древесина относится к классу'легких конструктив­ных материалов. Ее малая плотность определяется трубчатопо-ристым строением и зависит от относительного объема отверстий, пор и содержания в них влаги. Стандартная плотность древесины должна определяться при влажности 12%. Она колеблется в пре­делах одной породы и одного ствола.

Свежесрубленная хвойная древесина имеет плотность 850 кг/м³. Расчетная плотность древесины большинства хвойных пород в сос­таве конструкций, эксплуатируемых в помещениях с нормальной влажностью воздуха, принимается равной 500 кг/м³, а в помеще­ниях с влажностью воздуха более 75% и на открытом воздухе — 600 кг/м³.

Прочность. По прочности древесина относится к среднепроч-ным конструктивным материалам, однако ее относительная проч­ность с учетом малой плотности позволяет сравнивать ее со сталью. Прочность древесины определяется ее трубчатоволокнис-тым, анизотропным и неоднородным строением и характеризуется значительными колебаниями в зависимости от породы, располо­жения в составе ствола и процентного содержания поздней дре­весины. Прочность и плотность древесины связаны прямой про­порциональностью.

Прочность древесины очень зависит от направления действия усилий по отношению к направлению волокон. При действии уси­лий вдоль волокон, оболочки клеток работают в самых благопри­ятных условиях и древесина показывает наибольшую прочность. Например, средний предел прочности древесины сосны без поро­ков составляет при растяжении 100 МПа, при изгибе—75 МПа и при сжатии — 40 МПа.

При действии же усилий поперек волокон они легко сплющи-ваются или расслаиваются, поэтому прочность древесины при рас­тяжении, сжатии и скалывании в этом случае не превосходит 6, 5 МПа. Неоднородность строения, наличие пороков значительно {примерно на 30%) снижают прочность древесины при сжатии и изгибе и особенно (примерно «а 70%) при растяжении.

Длительность действия нагрузки существенно влияет на проч­ность древесины. При неограниченно длительном нагружении ее прочность, характеризуемая пределом длительного сопротивления, составляет только 0, 5 от предела прочности при стандартном кратковременном нагружении. Наибольшую прочность, в 1, 5 раза превышающую кратковременную, древесина показывает при крат­чайших ударных и взрывных нагрузках.

Вибрационные нагрузки, вызывающие в древесине переменные по знаку напряжения, тоже снижают ее прочность. Предел вынос­ливости, при котором древесина может выдерживать неограничен­ное количество циклов таких нагрузок, составляет 0, 2 от предела прочности.

Жесткость и твердость древесины относительно невелики ввиду ее трубчатоволокнистого строения. Жесткость — степень деформа-тивности древесины при действии нагрузок — существенно зависит от направления их по отношению к волокнам, их длительности и влажности древесины. Деформации древесины состоят из упругих (от кратковременных нагрузок), эластичных и остаточных (от дли­тельных нагрузок). Упругие деформации исчезают вскоре после разгружения, эластичные тоже исчезают через некоторый период времени, а остаточные остаются навсегда. Например, балки, про­гнувшиеся во время длительной эксплуатации, не могут быть вы­прямлены полностью при разгружении.

Жесткость древесины определяется модулем упругости Е. Его величина колеблется в значительных пределах и у лабораторных образцов древесины хвойных пород вдоль волокон достигает 15 000 МПа. Модуль упругости реальной древесины любой породы 26

в 1, 5 раза ниже и принимается для конструкций, эксплуатируемых в нормальных температурно-влажностных условиях, равным 10 000 МПа. При повышенной влажности и на открытом воздухе он снижается коэффициентами от 0, 9 до 0, 75 в соответствии с табл. 10 СНиП П-В.4—71. Жесткость древесины при действии нагрузок поперек и под углом к волокнам в 50 раз ниже.

Соответственно мала и твердость древесины. Она выражается в ньютонах нагрузки, требуемой для вдавливания стальной полу­сферы радиусом 5, 64 мм. Для древесины сосны поперек годичных слоев она равна только 1000 Н. Это свойство облегчает обработку древесины, но делает ее поверхность легко повреждаемой. Малая твердость и волокнистое строение дают возможность относительно легко забивать гвозди в древесину, которые прочно удерживаются там окружающими волокнами, раздвинутыми острием гвоздей.

Влияние влажности. Влажность древесины w — это процентное содержание свободной воды в полостях и гигроскопической воды в порах древесины. Наибольшую влажность (до 200%), набран­ную в период пребывания в воде, имеет сплавная древесина. Влаж­ность до 100% имеет свежесрубленная древесина. В процессе хра­нения на складах, естественной и искусственной сушки влажность древесины снижается до нормативных значений — 40, 25, 20 и 15%. Степень влажности значительно влияет на свойства древеси­ны и деревянных конструкций и строго ограничивается в зависи­мости от условий их изготовления и эксплуатации.

Из древесины неограниченно высокой влажности можно изго­товлять только конструкции, постоянно соприкасающиеся с водой. Из древесины влажностью до 40% можно изготовлять конструк­ции, эксплуатируемые на открытом воздухе, не зависящие от усушки, из древесины влажностью до 25% — конструкции, эксплуа­тируемые в помещениях с повышенной влажностью и соприкасаю­щиеся с грунтом. Из древесины влажностью до 20% можно изго­товлять также неклееные конструкции, эксплуатируемые в любых условиях, из древесины влажностью до 12% —любые конструкции, в том числе клееные.

В процессе уменьшения или увеличения влажности до 30% за счет гигроскопической влаги в оболочках клеток размеры дере­вянных элементов уменьшаются или увеличиваются. Происходит усушка или разбухание, которые тем больше, чем больше плот­ность древесины. Наибольшая усушка и разбухание происходят поперек волокон, перпендикулярно годичным слоям, и достигают 10%, а в тангентальном направлении — параллельно годичным слоям и достигают 5%. Наименьшие усушка и разбухание, не пре­восходящие 0, 3%, происходят вдоль волокон. При дальнейшем увеличении влажности сверх 30% за счет свободной влаги усушки и разбухания не происходит.

Высыхание деревянного элемента и развитие деформаций усуш­ки происходят неравномерно от поверхности к центру. Этот факт, а также разница величин радиальной и тангентальной усушки приводят к возникновению значительных внутренних напряжений

,

Рис. 2.4. Усушка древесины:

/ — усушка; 2 — растрескивание: 3 — поперечное коробление; 4 — то же, продольное

растяжения в наружных и сжатия во внутренних частях элемента поперек волокон и в результате к короблению и растрескиванию древесины (рис. 2.4).

Коробление бывает продольным и поперечным. Поперечное про­является в форме превращения квадратного сечения бруса в пря­моугольное или ромбическое, прямоугольного сечения доски в же­лобчатое, изогнутое в сторону наружных годичных колец. Продоль­ное коробление проявляется в форме выгиба досок по длине, а наличие наклона волокон в доске приводит к тому, что она принимает винтообразную форму.

Растрескивание древеси­ны происходит в том случае, когда внутренние напряже­ния превосходят невысокий предел прочности на растя­жение поперек волокон и появляются наружные и внутренние трещины, имею­щие обычно радиальное направление.

Изменение влажности в пределах от 0 до 30% существенно влияет на прочность и жесткость древесины. При увеличении влаж­ности в этих пределах прочность древесины снижается до 30% от максимальной. Дальнейшее увеличение влажности не приводит к снижению прочности древесины.

Для сравнения показателей прочности и жесткости древесины независимо от ее влажности установлено значение стандартной влажности, равное 12% (ранее было 15%). При испытании образ­цов древесины, имеющих нестандартную.влажность w в пределах от 8—23%, предел их прочности или другой показатель B_w дол­жен быть приведен к значению его при стандартной влажности В₁₂ с учетом коэффициента а, равного для сжатия и изгиба 0, 04, по формуле

Влияние температуры, и теплопроводность. Изменение темпера­туры также влияет на прочность и жесткость древесины. При по­вышении температуры предел прочности и модуль упругости сни­жаются и повышается хрупкость древесины. Так, например, предел прочности при сжатии древесины срсны, нагретой от 20 до 50° С, уменьшается в среднем до 70%, а при нагревании до 100° — до 30% от начального.

Предел прочности древесины а* при температуре t в пределах от 10 до 50° С можно определить, исходя из ее начальной прочно­сти gso при температуре 20° С с учетом поправочного коэффициен­та р, равного, например, для сосновой древесины при сжатии 3, 5 МПа, по формуле

«, ='2о-Р(*-20). 28

При отрицательных температурах влага в древесине превра­щается в лед и прочность ее при сжатии возрастает, например, до 25%, но она становится более хрупкой и в ней развиваются трещины.

Температурные.деформации древесины определяются коэффи«циентом линейного расширения а. Вдоль волокон древесины этот коэффициент очень мал и не превосходит 5-10~⁶, что позволяет строить деревянные здания без температурных швов. Поперек во­локон древесины этот коэффициент больше в 7—10 раз.

Теплопроводность древесины благодаря ее трубчатопористому строению очень мала, особенно поперек волокон. Коэффициент теплопроводности сухой древесины поперек волокон равен в сред­нем Я=0, 14 Вт/(м-град). Малая теплопроводность делает древе­сину эффективным материалом для легких ограждающих конст­рукций зданий. Теплоемкость древесины значительна, и ее коэф­фициент для сухой древесины составляет в среднем /