Механические характеристики древесины. Предел прочности. Нормативное сопротивление. Модуль упругости. Ползучесть древесины.

ПРОЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ, способность древесины сопротивляться разрушению под действием нагрузок; одно из осн. её механич. свойств. П. д. зависит от строения и физич. состояния древесины. В соответствии с видом напряжённого состояния и направлением усилий по отношению к волокнам и годичным слоям различают П. д.: при сжатии и растяжении вдоль волокон; сжатии, местном смятии и растяжении поперёк волокон в радиальном и тангенциальном направлениях; статич. изгибе; скалывании вдоль и поперёк волокон в радиальной и тангенциальной плоскостях; перерезании поперёк волокон в тех же плоскостях. Испытания древесины на прочность проводят стандартными методами на чистых (без пороков) малых (базисное сечение 20X20 мм) образцах при статич. нагрузках. По результатам большинства испытаний определяется предел П. д. — макс. напряжение, к-рое выдерживает древесина без разрушения. Форма, размеры образцов и схемы осн. испытаний древесины на прочность приведены на рисунке. Испытывают серии образцов и полученные результаты подвергают статистич. обработке. Показатели П. д. приводят к единой влажности (12%). Пределы П. д. нек-рых распространённых пород представлены в таблице.

При сжатии и местном смятии поперёк волокон определяют условный предел П. д., за к-рый принимают предел пропорциональности зависимости «напряжения—деформации». Этот показатель при сжатии древесины поперёк волокон для осн. пород в радиальном направлении составляет 2, 2—7, 0 МПа, а в тангенциальном — 2, 4—7, 6 МПа. При местном смятии поперёк волокон условный предел П. д. на 20—25% выше, чем при сжатии поперёк волокон.

С увеличением темп-ры и особенно влажности до предела насыщения клеточных стенок П. д. при всех видах испытаний значительно снижается. Наибольшее уменьшение прочности от увлажнения древесины наблюдается при сжатии вдоль волокон и статич. изгибе. Воздействие высоких темп-р на влажную древесину вызывает существенное необратимое снижение П. д. Увеличение размеров испытываемых образцов по сравнению со стандартными малыми образцами, а также наличие в них пороков древесины приводит к снижению большинства показателей прочности. П. д. сильно зависит от продолжительности нагружения. При динамич. нагрузке П. д. возрастает, а при долговременной снижается по сравнению со статич. П. д. Путём направленного изменения структуры и свойств древесины (см. Модифицирование древесины) можно существенно повысить её прочность.

Нормативное сопротивление древесины вычисляется по результатам многочисленных испытаний малых образцов чистой (без включения пороков) древесины одной породы влажностью 12%. Для оценки прочности при различных видах деформирования (растяжение, сжатие, изгиб, скалывание) используют образцы, установленные ГОСТом.

Коэффициент безопасности по материалу k назначают с учетом факторов, влияющих на прочность конструкционных элементов, выполненных из древесины. К числу этих факторов относятся: снижение прочности и увеличение деформаций при длительном действии нагрузок; снижение прочности за счет естественных пороков древесины (сучки, косослой и т. п.); снижение прочности за счет масштабного фактора.

При длительном действии нагрузки снижение прочности выражается в том, что по истечении какого-то времени нагруженные образцы древесины разрушаются, даже когда действующее в образце напряжение меньше, чем предел прочности, полученный при кратковременных испытаниях пр ГОСТу. Предел длительного сопротивления (т. е. прочность, соответствующая продолжительно действующей нагрузке) выявляется экспериментально.

Для этого группу образцов из древесины нагружают до напряжений, соответствующих какой-либо доле кратковременного предела прочности (например, 0, 90; 0, 85; 0, 80; 0, 75 и т. д.). Результаты испытаний тем достовернее, чем большее число образцов будет испытано на каждом из выбранных уровней напряжения (обычно не меньше, чем по 3—5 образцов на каждом уровне). После того как нагрузка приложена, ведут наблюдение за поведением нагруженных образцов. Со временем образцы начинают разрушаться. Время, истекшее от момента приложения нагрузки до момента разрушения, называется временем до разрушения (или долговечностью), оно исчисляется в секундах, часах или сутках. По мере разрушения образцов строят график, по оси абсцисс которого откладывают долговечность образца, а по оси ординат — либо приложенное к образцу напряжение, либо отношение напряжения, приложенного к образцу, к прочности, полученной из кратковременных испытаний аналогичных образцов.

Более нагруженные образцы имеют меньшую долговечность и по мере уменьшения уровня напряжения долговечность возрастает. Образцы же, нагруженные ниже какого-то определенного уровня, вообще не разрушаются даже по истечении продолжительного срока (несколько десятилетий). Этот уровень напряжений, составляющий для древесины примерно 0, 50 предела прочности при кратковременных испытаниях, и принят за предел длительного сопротивления.

В ходе длительных испытаний отмечается еще и нарастание деформаций в образцах. Такое явление называется ползучестью.

Деформации ползучести нарастают со временем и. тем больше, чем выше напряжения. Линии, характеризующие нарастание деформаций во времени (кривые ползучести), могут иметь двоякий характер. При напряжениях ниже предела длительного сопротивления кривая ползучести имеет асимптоту, т. е. деформации ползучести затухают. При более высоких напряжениях кривая ползучести со временем начинает выгибаться вверх, деформации ползучести ускоряются и образец вскоре разрушается. Таким образом, снижение прочности при длительных нагрузках и ползучесть являются процессами взаимосвязанными.

Ползучесть древесины должна быть учтена при назначении расчетных характеристик, в особенности модуля упругости Е и модуля сдвига G.

Деформативность. При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности — модуль упругости.

Модуль упругости вдоль волокон Е = 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жёсткая древесина.

С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жёсткость её снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени.

Модуль упругости древесины вдоль волокна независимо от породы принимается равным Е = 10 000 МПа. Это значение установлено путем снижения в 1, 5-раза модуля упругости (15 000 МПа), полученного из кратковременных испытаний образцов древесины.