Факторы, влияющие на механические свойства древесины

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. 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.

Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздействием механических нагрузок: прочность - способность сопротивляться разрушению, деформативность - способность сопротивляться изменению размеров и формы, технологические и эксплуатационные свойства.

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.

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 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.

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 = Pmax/bh. Здесь b и h — ширина и толщина рабочей части образца, см; Ртах — 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/2bh2. 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.

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.