Влажность 10-15% (по [6.14.])

параметр	Изменение характеристики
Прочность: На сжатие Растяжение Изгиб Модуль упругости	-+5 -+1 -+5 -+3

При длительном нагружении прочность древесины падает. Это уменьшение обычно учитывается множителем, меньшим или равным 0,85. При пропитке древесины огнезащитными составами прочность уменьшается на 10% . Защитные средства против грибков и насекомых практически не оказывают влияния на прочность.

Особенности структурно–механических свойств древесины, и отличие действительных условий работы от условия при стандартных испытаниях, влияющих на прочность древесины, учитываются путём введения необходимых коэффициентов. Для базовых расчётных сопротивлений, отвечающих нормальным температурно – влажностным условиям эксплуатации (при температуре Т- 35 С и относительной влажности воздуха f -75%), необходимо вводить коэффициент условий работы mдл учитывающий влияние длительности нагружения, с переходом от прочности древесины при кратковременных испытаниях к её прочности в условиях длительно действующих постоянных и временных нагрузок за весь срок службы конструкций.

Рассмотренный путь нормирования расчётных сопротивлений основан на данных стандартных испытаний пиломатериалов и круглого леса в целом виде и является предпочтительным.

На прочность древесины влияет начальная влажность материала, использованного при изготовлении конструкции, и температурно-влажностный режим воздушной среды при эксплуатации. Они определяют уровень равновесной влажности и приводят к высыханию, увлажнению или стабильному состоянию древесины.

Соответственно для учёта влияния влажности на прочностные расчётные характеристики необходимо регламентировать классы температурно-влажностных условий эксплуатации, начальную влажность материала при изготовлении и на основании этого получать соответствующие поправочные коэффициенты условий работы mв, учитывающие влияние влажности. Прочность древесины существенно зависит не только от температурно-влажностных условий эксплуатации, но и от характера и длительности нагружения.

В зависимости от температурно - влажностных условий эксплуатации для древесины, применяемой в элементах конструкций, вводятся классы влажности. Количество классов влажности в нормах различных стран колеблется от 3 до 5. Нормы проектирования деревянных конструкций ряда стран не содержат требований к древесине по влажности.

Подходы к назначению классов влажности обусловлены, видимо, спецификой климатических условий различных стран, а также имеющимися технологическими возможностями для ограничения классов влажности.

Механические свойства древесины

При всей относительной стройности структуры хвой­ных пород древесины ее трахеиды не стандартны, что является основной причиной изменчивости ее механиче­ских свойств.

Механические свойств.а древесины, являющейся при­родным полимером, изучаются на основе реологии _ науки об изменении свойств веществ во времени под действием тех или иных факторов, в данном случае на­грузок. Известно, что при быстром, кратковременном действии нагрузки древесина сохраняет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформа­циям. При длительном действии неизменной нагрузки де­формации во времени существенно увеличиваются. Если задать древесине неизменную во времени деформацию, например определенный прогиб изгибаемому элементу, то напряжения в нем с течением времени уменьшают­ся — релаксируют, хотя деформация не меняется.

Реологические свойства древесины учитываются при назначении расчетных сопротивлений. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после ее прило­жения в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточ­ные деформации. Упругие и эластические деформации обратимы — они исчезают после снятия нагрузки 'в тече­ние малого (упругие деформации) или более или менее длительного (эластические деформации) промежутка времени. Остаточные деформации, являющиеся необра­тимой частью общих деформаций, остаются и после сня­тия нагрузки.

Для обоснованного назначения размера элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных силовых воздействиях, которая зависит от размера пороков, в основном сучков, ослаб­ляющих сечение.

Благодаря особенностям строения древесина являет­ся анизотропным материалом, ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направле­нием волокон. При совпадении направления силы и во­локон прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз мень­ше, если сила действует под большим углом к волокнам.

Рис. 2. Стандартные образцы для определения временных сопро­тивлений (предела прочности) древесины

а — растяжение вдоль волокон; б — поперечный изгиб; в — сжатие вдоль волокон; г — скалывание вдоль волоком; д — смятие поперек волокон

Для обоснованного расчета элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных видах напряженного состояния и при разно­образном их сочетании (при сложном напряжении). До настоящего времени основой для определения несущей способности конструктивных деревянных элементов слу­жит предел прочности древесины, определяемый испыта­нием стандартных образцов, выполняемых из чистой, без всяких пороков древесины. Однако некоторые из этих образцов не дают правильного ответа на вопрос о величине предела прочности. Так, например, стандарт­ный образец на скалывание вдоль волокон не работает на чистый сдвиг. По плоскости разрушения в нем возни­кают неравномерные напряжения сдвига в сочетании с неравномерными нормальными напряжениями сжатия и растяжения поперек волокон.

Тем не менее согласно установленному методу, со­противление древесины скалыванию определяют как со­противление чистому сдвигу, что не соответствует действительности. Чистый сдвиг возможен только при работе элемента круглого сечения на кручение.

Испытания показывают значительный разброс пока­зателей прочности даже для одной и той же породы дре­весины. Это объясняется неоднородностью древесины, связанной с особенностями ее анатомического строения. Так, у хвойных пород, преимущественно применяемых в строительстве, прочность поздней древесины в 3—5 раз выше прочности ранней древесины. Чем толще стенки трахеид н чем больше процент поздней древесины, тем выше плотность древесины и ее прочность. Опытами ус­тановлена прямая пропорциональность между пределом прочности и плотностью древесины. На прочность дре­весины благодаря ее реологическим свойствам значи­тельно влияют скорость приложения нагрузки или про­должительность ее действия. Если серию одинаковых деревянных образцов загрузить, например на изгиб, раз­личной по значению постоянной нагрузкой, то разруше­ние нх произойдет через разные промежутки времени — чем больше нагрузка (напряжение), тем скорее разру­шится образец. При этом может оказаться, что часть об­разцов вообще не разрушится, как бы долго нагрузка ни действовала. Представив результаты таких испытаний графически в координатах «предел прочности — время до разрушения» (3), получим асимптотическую кривую, по которой можно определить, сколько времени пройдет от начала нагружения до разрушения образца, находящегося под тем или иным напряжением. Асимпто­тический характер кривой показывает, что предел проч­ности с увеличением длительности приложения нагрузки хотя и падает, но не безгранично — он стремится к неко­торому постоянному значению _дл, равному ординате асимптоты кривой.

-

Рис. 3. Кривая длительного сопротивления древесины

Две области кривой, указанные на рис. 3, различа­ются также по характеру зависимости деформации от времени при заданном значении действующей нагрузки (напряжения). Так, при напряжении<_дл деформации с течением времени затухают, стремясь к некоторому пределу, а при >_дл после некоторого уменьшения скорости деформаций наступает развитие деформаций с постоянной скоростью. Далее, в момент времени t₁ начинается ускоренный рост деформаций, приводящий к разрушению материала.

Как видно, древесина обладает свой­ством последействия (ползучести), т. е. роста деформа­ций в течение некоторого времени после приложения нагрузки. Примером последействия на практике может служить провисание балок, находящихся долгое время под эксплуатационной нагрузкой.

Длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины в отличие от пре­дела прочности, определяемого быстрыми испытаниями на машине стандартных образцов. Переход от предела прочности к длительному сопротивлению производится умножением предела прочности на коэффициент дли­тельности сопротивления, равный отношению предела длительного сопротивления к пределу прочности. По опытным данным, коэффициент длительности сопротив­ления может быть принят 0,5—0,6. Опыты показывают,что при очень быстром приложении нагрузки, например при ударе, предел прочности повышается по сравнению с длительным сопротивлением в среднем в 3 раза. Таким образом, относительная прочность древесины при ее ис­пытании с различной скоростью приложения нагрузки изменяется в пределах 1—3.

Фактически деревянные конструкции находятся под совместным действием постоянных (например, собст­венный вес), временно длительных (например, снеговая) и кратковременных (например, ветровая) нагрузок. Опыты показывают, что в этом случае предел прочности зависит от соотношения этих нагрузок и изменяется от предела длительного сопротивления (при наличии только постоянной нагрузки) до предела прочности, определяе­мого при стандартной скорости загружения от действия основных кратковременных нагрузок. Случай преиму­щественного влияния постоянной нагрузки специально учитывается в расчете. При испытаниях деревянных конструкций замечено, что разрушающая нагрузка в случае медленного нагружения меньше, чем в случае быстрого. То же самое на­блюдается и при механических испытаниях древесины и пластмасс, в чем находит яркое проявление особенность прочностных свойств этих материалов, отличающая их от стали и бетона, у которых это общее свойство твер­дых тел выражено слабее. Этот фактор следует учиты­вать при назначении расчетных сопротивлений и опреде­лении расчетной несущей способности конструкций. Для обеспечения надежной работы последних необходимо уметь находить длительную прочность древесины.

Рис. 4 а — экспериментальные данные об изменении прочности древесины во време­ни; б— прогнозирование длительной прочности древесины

Работа древесины при различных воздействиях и факторах

А Б

Рис. 5 А. Влияние косослоя; Б Приведенная диаграмма работы сосны: а-растяжение, б - сжатие