Влияние различных факторов на механические свойства древесины

Влияние влажности. При увеличении влажности древесины до предела гигроскопичности ее прочность на сжатие, изгиб, скалывание уменьшается, деформативность увеличивается, снижается модуль упругости, увеличивается объем древесины (разбухает). При дальнейшем повышении влажности прочность и деформативность древесины практически остаются стабильными (рис. 1.2). При растяжении вдоль волокон увеличение влажности практически не сказывается на ее прочности.

При снижении влажности происходит усушка древесины. Удаление свободной влаги не приводит к изменению линейный размеров и объема, уменьшается только плотность древесины. При дальнейшем понижении влажности, связанной с удалением связанной влаги, линейные размеры и объем древесины изменяются. Линейная усушка древесины в различных направлениях неодинакова. Усушка вдоль волокон древесины весьма невелика (до 0,3%), усушка в радиальном направлении колеблется в пределах 2…8,5%, а в тангенциальном направлении — 2,2…14%. Следствием такой неравномерной усушки является коробление и появление трещин при высыхании.

Рис. 1.2. Влияние изменения влажности на прочность древесины

(σ_в – предел прочности, W – влажность)

Влияние температуры. С повышением температуры от 20ºС до 50ºС предел прочности и модуль упругости древесины понижаются (снижение предела прочности при сжатии может достигать величины 20-30%, Рис. 1.3). Температуры окружающей среды свыше 50ºС приводят к интенсивной сушке и образованию трещин, расслоению клеевых швов в клееной древесине . Поэтому нормами проектирования регламентируются эксплуатация деревянных конструкций из цельной древесины (ДК) при температуре до 50ºС, а из клееной древесины (КДК) при температуре до 35ºС.

Рис 1.3. Влияние температуры на прочность древесины:

σ_в - условный предел прочности; КДК - клееные деревянные конструкции;

ДК – деревянные конструкции из цельной древесины

При отрицательных температурах прочность древесины повышается при любой влажности. При действии отрицательных температур на сырую, насыщенную влагой древесину получается «замороженная» древесина, у которой сопротивления сжатию, изгибу, скалыванию повышаются, но при этом она становится более хрупкой.

Влияние анизотропии строения древесины. Древесина обладает ярко выраженной анизотропией строения. Прочность и упругие свойства древесины резко отличаются в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон (Рис. 1.4). При совпадении направлений силы и волокон, прочность древесины наибольшая, а при увеличении угла наклона силы к направлению волокон как прочность, так и упругие свойства заметно снижаются.

Рис. 1.4. Влияние угла наклона усилия к направлению волокон на прочность древесины

Влияние пороков древесины. Пороками древесины называют изменения внешнего вида древесины, нарушение правильного строения, целостности. Основные группы пороков: сучки, трещины, пороки формы ствола, пороки строения древесины, биологические и механические повреждения, коробление.

Пороки снижают прочность древесины, особенно при ее работе на растяжение и скалывание.

Наиболее негативное влияние на прочность древесины оказывают сучки — часть ветвей, заключенных в древесине ствола. Особенно опасны сучки на кромках и выходах на ребро досок. При размере сучков в ¼ стороны деревянного элемента (это максимально допустимый размер для растянутых элементов) предел прочности составляет только 27% от прочности при растяжении стандартных «чистых» образцов.

Из других пороков отметим такой порок древесины, как косослой — отклонение волокон от продольной оси ствола дерева. Косослой снижает прочность древесины вследствие появления составляющей силы, перпендикулярной к направлению волокон при действии растягивающего усилия.

В зависимости от наличия, количества и месторасположения пороков в древесине, пиломатериалы подразделяются на сорта.

Влияние длительности нагружения. На механические свойства древесины существенно влияет время действия нагрузки. При быстром кратковременном действии нагрузок, древесина сохраняет значительную упругость, деформации сравнительно невелики. При длительном действии постоянной нагрузки, деформации во времени значительно увеличиваются. Это свойство называется ползучестью. Кроме того, древесина релаксирует, т. е. в нагруженном элементе при неизменной деформации напряжения с течением времени уменьшаются. График изменения предела прочности древесины от времени нагружения предоставлен на Рис. 1.5. Предел прочности древесины с увеличением времени действия нагрузки падает до определенного значения, которое называется пределом длительного сопротивления древесины σ_дл.

Рис. 1.5. Кривая длительного сопротивления древесины

Длительное сопротивление является действительным показателем прочности древесины в отличии от предела прочности, который определяется быстрыми испытаниями стандартных образцов на испытательных машинах. Переход от предела прочности к длительному сопротивлению выполняется умножение предела прочности σ_в на коэффициент m_дл= σ_дл/σ_в. По опытным данным коэффициент m_дл=0,5…0,6.