При изготовлении каких изделий используют свойство упругости древесины
Упругость древесины – способность к восстановлению исходной формы после прекращения действия нагрузки. Это механическая характеристика, присущая строительным материалам, в том числе, дереву. Характеристика математически выражается модулем упругости – соотношением между нормальными напряжениями и относительными деформациями.
Несмотря на развитие технологий, появления большого разнообразия строительных материалов, дерево было и остается тем материалом, которому отдают предпочтение многие профессиональные строители и заказчики. Дерево как строительный материал используется с незапамятных времен. Сейчас внешний вид, конструкция построек из него значительно изменились. Пролеты деревянных построек могут достигать 120 м! Проектируя подобные строения, обязательно определяют внутренние усилия от действия внешних сил, в том числе с учетом деформированного состояния. В программах для подобных расчетов одной из исходных характеристик является модуль упругости. Рассчитывая этот показатель, определяют, какую нагрузку будет испытывать доска или брус без необратимой деформации, то есть не ломаясь. Чем больше значение характеристики, тем жестче материал.
Параметры, от которых зависит упругость древесины
Модуль упругости древесины — параметр изменяющийся, на его значение влияют:
- Влажность. Упругость древесины находится в обратной зависимости от влажности. То есть при высокой влажности дерева, его способность возвращаться к исходной форме будет минимальной.
- Прямослойность. Если волокна расположены извилисто, беспорядочно, то способность восстанавливать форму у неё будет заметно ниже, чем у прямослойной.
- Плотность. Дерево с низкой плотностью не так упруго, как более плотное.
- Возраст дерева. Древесина старого дерева более упруга, чем молодого.
- Природные особенности дерева. Хвойные деревья имеют однорядные мелкие сердцевинные лучи, поэтому их древесина более упругая, хотя удельный вес у таких пород не велик.
- Возраст самой древесины. Более молодые слои ствола дерева называют заболонью, те, что располагаются ближе к центру, и, соответственно, старее – ядром. Заболонь более упругая, чем ядро.
Нормативная документация
Упругость строительных материалов, древесины в частности, в значительной мере влияет на уровень безопасности для людей зданий и сооружений, а так же сохранности материальных ценностей в них находящихся. Поэтому разрабатываются и утверждаются нормативные документы, определяющие методологию определения параметра упругости а так же расчетов и проектирования конструкций из клееной и цельной древесины.
СНиП II-25-80. Свод правил. Деревянные конструкции. Этот документ определяет методологию расчета и проектирования зданий, сооружений и конструкций из древесины (цельной и клееной). В том числе в СНиП определенно что конструкции из древесины должны:
- соответствовать требованиям расчетов по деформациям и по несущей способности;
- проектироваться с учетом условий эксплуатации, монтажа, перевозки;
- быть долговечными, что обеспечивается конструктивными решениями, защитной обработкой.
ГОСТ 16483.9-73. Межгосударственный стандарт. Древесина. Методы определения модуля упругости при статическом изгибе. В данном ГОСТе:
- установлены методы определения модуля упругости при статическом изгибе;
- описан процесс определения данного показателя при статическом изгибе кондиционированных и не кондиционированных образцов;
- даны образцы протоколов определения модулей упругости.
Модуль упругости дерева
Древесина считается упругой, если она после устранения действия силы изгибающей её, принимает исходную форму. У упругости есть предел. Он достигается, когда при изгибе деревянная детальили изделие сохранит конечную форму.Попросту говоря, предел упругости доски достигается в тот момент, когда она ломается. Свойства упругости и гибкости не идентичны. Гибкость – способность менять форму под действием внешних воздействий. Упругость – возможность возвращать утраченную форму. Дерево с высоким модулем необходимо для того, чтобы делать спортивные снаряды, мебель. Наиболее упруга древесина таких пород как ясень, бук, кария, лиственница.
Вместо термина упругость часто употребляют понятия жесткость или деформативность.
Чтобы описать способность к возвращению исходной формы, используют следующие физические величины:
- модуль упругости Е;
- коэффициент деформации µ;
- модуль сдвига G.
В общем, можно говорить о том, что при приложении силы вдоль древесных волокон, модуль упругости в 20-25 раз выше, чем если та же сила действует поперек волокон. Если сила действует перпендикулярно направлению волокон и направлена радиально, то этот показатель на 20-50 % больше, чем при действии той же силы в тангенциальном направлении.
Ниже рассмотрим более подробно эти физические величины, определяющие способность дерева возвращать исходную форму при снятии деформирующего усилия.
Модуль упругости древесины основных пород
Модуль упругости в физике рассматривается как единое наименование комплекса физических величин, характеризующих способность твердого тела (в нашем случае – дерева) упруго деформироваться, если к нему будет приложена какая-то сила.
Модуль упругости древесины (Е) – соотношение между нормальными напряжениями и относительными деформациями. Он измеряется в Мпа либо в кГс/см2 (1Мпа=10.197 кГс/см2) Выделяют несколько видов:
- вдоль волокон Еа.
- поперек волокон (тангенциальный) Еt.
- поперек волокон (радиальный) Еr.
- модуль упругости при изгибе Еизг.
Таблица. Сведения по наиболее часто используемым породам.*
Коэффициенты поперечной деформации основных пород дерева
Во время приложения нагрузки, кроме продольной деформации вдоль волокон так же появляется поперечная при изгибе.
Коэффициенты этого типа деформации приведены в таблице:
Модуль сдвига основных пород древесины
Модуль сдвига – коэффициент пропорциональности между касательными напряжениями и угловыми деформациями древесины.
Данные по модулю сдвига для основных пород приведены ниже:
Пластичность древесины
Дерево способно под давлением менять без разрушения свою форму, сохранять её после того, как давление будет снято. Такое свойство называется пластичностью. Пластичность зависит от тех же критериев, что упругость, только в обратном направлении. Например, чем выше влажность древесины, тем она более пластична, при этом менее упруга.
Пластичность дерева повышают с помощью специальной обработки. Пропаривая или проваривая его в воде, получаем более пластичный материал, которую затем используют для изготовления мебели, полозьев саней. Наивысшая пластичность у бука, вяза, ясеня, дуба. Это свойство обусловлено строением проводящей системы данных пород. У бука, например, много крупных сердцевинных лучей, изгибающих волокна древесины. Сосуды, расположенные группами в годовых слоях вяза, дуба, ясеня, сильно сдавлены более плотной поздней древесиной, поэтому пластичность этих пород высока.
Коэффициент Пуассона
При приложении нагрузки к стержню, кроме продольной деформации ε, появляется поперечная деформация ε1. Коэффициентом поперечной деформации, или коэффициентом Пуассона μ, называется отношение ε1 к ε.
Коэффициент Пуассона древесины определяют путем сжатия прямоугольных призматических образцов сечением 40х40 мм, высотой 150 мм. Чтобы измерить деформацию на образце устанавливается шесть тензометров с базой 20 мм, передаточным числом около 1000. Из этих тензометров два регистрируют продольную деформацию (деформация в направлении действия силы сжатия), остальные четыре измеряют поперечные деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Каждый из образцов шестикратно нагружают до 400 и 1600 кг при сжатии вдоль волокон, до 40 и 160 кг при сжатии поперек волокон.
Для древесины сосны, ели коэффициент Пуассона при усилии, направленном вдоль волокон v0=0,5.
Модуль упругости фанеры
Фанера – строительный материал, производимый путем склеивания нескольких слоев деревянного шпона. Она очень популяренна, и неспроста. Кроме эстетической ценности, фанера обладает рядом значений параметров, выделяющих её в ряду материалов для строительства. Проходя обработку, фанера приобретает прочность, упругость, влагостойкость.
На характеристики фанеры влияют многие факторы:
- порода дерева, используемого для шпона;
- исходное состояние сырья;
- влажность самой фанеры;
- тип и состав клея, которым соединяются слои шпона;
- технология предварительной обработки.
Для фанеры так же рассчитывается модуль упругости и все соответствующие коэффициенты.
Важно то, что модуль упругости фанеры и другие показатели выше, чем у древесины, из которой она была изготовлена.
Модуль упругости древесины рассчитывают обязательно перед постройкой кровельных, стропильных систем. Знание внутренних усилий, появляющихся в строительных материалах, важно для безопасности, долговечности постройки. Способность возвращать утраченную форму значимо при выборе материала рукояток ударных инструментов, оружейных лож.
Механические свойства древесины
Свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам) называются механическими. Механические внешние силы в зависимости от характера их действий и направления вызывают в древесине различные напряжения. В соответствии с действиями механических сил различают прочность древесины на растяжение, на сжатие, на изгиб (на излом), на скалывание, на срез, на кручение, на раскалывание, дифференцируются и другие свойства: упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, твердость, износостойкость и способность удерживать гвозди, нагели и шурупы.
Древесина имеет неоднородное строение, поэтому механические свойства ее в разных направлениях не одинаковы. Принято определять сопротивление древесины силам, действующим вдоль волокон (в торец), а также поперек — в радиальном и в тангентальном направлениях.
При действии на древесину внешней механической силы с постепенным ее нарастанием разрушение древесины наступает не сразу. Древесина в значительной мере противодействует разрушающему действию нагрузки, причем изменяет форму или размеры (изгибается, удлиняется, сжимается). Изменение формы или размеров древесины под действием внешних механических сил называется деформацией. Деформация, исчезающая с прекращением действия силы, называется упругой. Если с прекращением действия силы форма или размеры древесины не восстанавливаются, то деформация называется остаточной. При определенной величине нагрузки упругая деформация переходит в остаточную. Момент такого перехода называют пределом упругости.
Прочность древесины
Величина силы, вызвавшая разрушение, называется разрушающей силой. Наибольшее сопротивление древесины, граничащее с моментом ее разрушения, называется пределом прочности древесины. Наиболее часто наблюдается работа древесины на сжатие. Сваи, колонны, всякого рода стойки и опоры, ножки в мебели работают на сжатие. Различают сжатие продольное и поперечное в радиальном и тангентальном направлениях.
До разрушения образец древесины сжимается (уменьшается в размере) по линии действия нагрузки. Это называют усадкой или смятием древесины. Особенно сильно смятие наблюдается при сжатии поперек волокон.
Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон в 5-10 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль них, а при растяжении поперек волокон предел прочности в 10-20 раз меньше, чем вдоль волокон.
Работа древесины на изгиб наблюдается часто. Изгибающие нагрузки нередко несут балки и бруски, стропила, детали эстакад, мостов, мебели. В любом случае изгибаемая деталь одновременно испытывает растяжение и сжатие разных ее частей вдоль волокон (Рис. 1 ). В первом случае верхняя часть сжимается, нижняя растягивается; во втором, наоборот, верхняя растягивается, нижняя сжимается. В первом случае опасное сечение детали будет посередине длины ее, во втором — близ места прикрепления детали. Внутренний слой древесины детали на границе растяжения и сжатия не испытывает ни сжатия, ни растяжения. Этот слой называется нейтральным, и в нем наблюдается напряжение на скалывание.
Таблица 1. Предел прочности древесины
Рис. 1. Два типичных случая работы древесины на изгиб:
а — изгибаемая деталь обоими концами опирается на твердые опоры;
б — изгибаемая деталь закреплена только одним концом, а на второй действует нагрузка
прочности древесины при изгибе меньше ее предела прочности при растяжении и больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.
Предел прочности древесины при скалывании и перерезании
Скалыванием называется сдвиг части древесины вдоль волокон, поперек волокон в радиальной или тангентальной плоскостях и поперек волокон перпендикулярно их направлению. Сдвиг поперек волокон перпендикулярно их направлению называется перерезанием, или срезом. Сопротивление древесины на срез больше сопротивления на скалывание вдоль и поперек волокон в несколько раз, так как при скалывании преодолевается только сцепление клеток, а разрушения их стенок не происходит.
Предел прочности древесины при кручении
Сопротивление древесины кручению наблюдается при работе вращающихся валов, осей, винтов и в других случаях, когда внешняя механическая сила стремится спирально скручивать волокна древесины. При кручении древесина обладает сравнительно небольшим пределом прочности. Повышенная влажность древесины понижает предел ее сопротивления при кручении. Лучше всего при кручении работает береза.
Основными факторами, влияющими на показатели предела прочности древесины, являются ее влажность, объемный вес и наличие пороков. Увеличение влажности, как правило, понижает предел прочности древесины. Тяжелая древесина прочнее легкой (при всех других одинаковых условиях). Считается, что предел прочности древесины пропорционален ее объемному весу. Наибольшим пределом прочности обладает древесина комлевая, у нее и наибольший объемный вес. От комля к вершине предел прочности древесины снижается на продольное сжатие, например на 8 % через каждые 6 м длины ствола.
Предел прочности ядровой и заболонной древесины хвойных пород отличается незначительно. Древесина заболони лиственных пород по прочности ниже ядровой. Пределы прочности древесины деревьев зрелого возраста и деревьев, выросших на благоприятной для них почве, выше.
Упругость и пластичность
Упругостью называется способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки.
Древесина является довольно упругим материалом. Упругость имеет большое практическое значение. В тех случаях, когда требуется смягчить толчки, применяют древесину, которая вследствие своей упругости в значительной степени поглощает толчки и смягчает отдачу.
Упругость зависит от влажности, объемного веса, прямослойности древесины, от количества и размеров сердцевинных лучей н пей, а также от возраста дерева. Повышение влажности снижает се упругость.
Значительная упругость древесины хвойных пород при сравнительно небольшом ее объемном весе объясняется прямослойностью ее строения, так как очень мелкие, в большинстве своем однорядные сердцевинные лучи не вызывают значительного искривления волокон.
Пластичность — свойство древесины, обратное упругости. Пластичностю называется свойство материала изменять форму под действием нагрузки без разрушения и сохраняться в измененном состоянии после прекращения действия сил. Особенно сильно повышают пластичность увлажнение и нагревание древесины паром (пропарка) или горячей водой (проварка).
Высокой пластичностью отличаются бук, вяз, дуб, ясень. Пластичность древесины хвойных пород, отличающихся прямослойнойностью строения, незначительна.
Хрупкость, вязкость и раскалываемость
Хрупкость — свойство материала разрушаться под действием механических сил внезапно, без значительного изменения формы. Совершенно хрупкой древесины нет. Это объясняется волокнистым ее строением. Наиболее хрупкой является древесина ольхи.
Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Чем больше остаточные деформации древесины под действием механических сил, тем ин жость ее выше. Указателем вязкости и хрупкости древесины является ее сопротивление ударному изгибу. Древесина лиственных пород, как правило, оказывает сопротивление ударному изгибу в 1,5-3 раза больше, чем древесина хвойных пород.
Раскалываемость — это способность древесины расщепляться вдоль волокон под действием клина. Упругость древесины улучшает ее раскалываемость, а вязкость снижает. На раскалываемость влияет и влажность. При повышенной влажности древесина раскалывается легче. Однако при очень высокой влажности древесина мягких пород в результате снижения ее упругости раскалывается плохо. Легко раскалывается мерзлая древесина. Упругая с мелкими сердцевинными лучами древесина хвойных пород легко раскалывается в радиальном и тангентальном направлениях, в особенности ель и пихта. Сильно развитые сердцевинные лучи облегчают радиальное раскалывание, но затрудняют тангентальное. Легко раскалываются все хвойные породы, а также бук, каштан, осина, липа, а в радиальном направлении — дуб. Этим свойством древесины широко пользуются при заготовке бондарной колотой клепки, кровельной щепы, штукатурной дранки.
Твердость и износостойкость
Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление проникновению твердых тел. Чем выше объемный вес древесины, тем больше ее твердость. Кроме того, твердость торцевой поверхности ствола больше, чем твердость радиального и тангентального разрезов. Так, у лиственных пород эта разница в среднем составляет 30 %, а у хвойных — 40 %. Твердость древесины значительно снижается при увлажнении. По степени твердости все породы на практике подразделяются на твердые и мягкие.
К твердым относятся: дуб, граб, ясень, клен, каштан, ильм, вяз, орех, груша, береза, лиственница и др.; к мягким — сосна, ель, пихта, ольха, липа, тополь, ива и др. Иногда выделяют еще третью группу сверхтвердых пород: самшит, фисташка и др.
Твердость древесины имеет большое производственное значение, так как режущие инструменты для обработки древесины приходится подбирать и затачивать с учетом ее твердости.
Износостойкость — это способность материала противостоять и шосу. Износ древесины — это изменение ее поверхности в процессе эксплуатации от истирания, смятия, выкрашивания и т. п. Износостойкость древесины довольно высокая и находится в прямой зависимости от ее твердости и объемного веса.
Способность древесины удерживать металлические крепления
Способность древесины удерживать в себе гвозди, нагели, шурупы идругие металлические крепления обусловливается ее упругостью. Вбиваемый в древесину гвоздь раздвигает волокна, которые вследствие своей упругости давят на поверхность гвоздя и тем самым оказывают сопротивление его выдергиванию. Сопротивление древесины вколачиванию и выдергиванию гвоздей зависит от ее объемного веса, влажности, особенностей строения и направления вбиваемого гвоздя по отношению к волокнам.
Способность древесины удерживать гвозди и другие металлические крепления определяется силой в килограммах, необходимой для их извлечения. Сила удерживания металлических креплений в древесине зависит от площади соприкосновения древесины с их поверхностью. Гвозди с квадратным или многогранным поперечным сечением, имеющие большую поверхность, нежели гвозди круглого сечения, держатся в древесине прочнее.
Гвозди любой формы можно вколачивать только в мягкую древесину. В твердой древесине для них предварительно высверливают нгёзда (диаметром 0,7-0,8 толщины гвоздя и глубиной не менее половины его длины). В противном случае материал может расколоться. Кроме того, гвоздь в твердую древесину часто не входит — гнется. Зато в твердой древесине гвоздь держится прочнее, чем в мягкой.
Во влажную древесину вколотить гвоздь легче, чем в сухую, так как упругость влажной древесины понижена. Но изогнутость волокон после ее высыхания остается, поэтому давление на гвоздь становится незначительным и гвоздь держится слабо.
В прямослойной древесине, более упругой, чем свилеватая, гвозди держатся прочнее, но прямослойная древесина легче раскалывается. Гвозди, вколоченные в торец древесины, держатся на 25-30 % надёжнее, чем вколоченные в боковую поверхность. Это объясняется тем, что в перерезанном конце волокна имеют пониженную упругость.
Влажность древесины
Влажность древесины — суммарное количество находящейся в древесине влаги, а именно: связанной влаги, содержащейся в стенках древесных клеток, и свободной влаги, находящейся как внутри клеток, так и в межклеточном пространстве. От содержания в древесине того или иного количества влаги (главным образом связанной) во многом зависят механические и другие свойства древесины.
Влажность древесины свежесрубленного дерева зависит от породы дерева и составляет от 50 до 100 % и более. Если древесину длительное время (до нескольких месяцев) хранить в отапливаемом помещении, влажность ее уменьшится до 8-12 %. Такая древесина называется комнатно-сухой. Оставленная на воздухе, но под навесом древесина высыхает до влажности 15-20 % (воздушно-сухая древесина). Влажность древесины, находящейся в воде, выше 100 % (мокрая древесина).
При длительной выдержке древесины на воздухе влажность ее изменяется в зависимости от влажности и температуры окружающей среды (воздуха), в результате древесина приобретает так называемую равновесную влажность. При этом изменение влажности древесины ведет либо к ее усушке (при уменьшении влажности), либо к разбуханию (при увеличении влажности). Заметим также, что сушка сопровождается не только очевидным уменьшением объема древесины, но и ее короблением, а также появлением в древесине трещин. Дело в том, что физические свойства древесины анизотропны, т. е. зависят от направления, выбранного внутри изделия из древесины. Поэтому при сушке древесины ее усушка по разным направлениям идет неодинаково, что и вызывает коробление. То же происходит при разбухании древесины и при изменении внутренних напряжений в результате механической ее обработки.
Поэтому древесину перед механической обработкой доводят до эксплуатационной влажности, т. е. до той равновесной влажности, которая будет соответствовать условиям окружающей среды в месте эксплуатации изделий из этой древесины. Так, эксплуатационная влажность древесины, предназначенной для изготовления мебели, составляет 7-10%. А вот заготовки для наружных оконных наличников достаточно просушить до влажности 15-20 %.