1.2 Строение древесины и физические свойства

В поперечном сечении ствола древесины хвойных пород (сосна, ель) можно рассмотреть несколько характерных слоев (рис. 1.1).

Наружный слой состоит из коры - 1 и луба - 2. Под лубом находится тонкий слой камбия. Назначение луба в растущем дереве - проводить вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещест­ва.

1

2

5

6

4

3

Рис. 1.1. Строение древесины в поперечном разрезе:

1 -кора; 2 - луб; 3 - камбий; 4 - заболонь; 5 - ядро; 6 – сердцевина.

В поперечном разрезе основную часть занимают заболонь и ядро. Забо­лонь состоит из молодых клеток, ядро - полностью из отмерших клеток. У деревьев всех пород в раннем возрасте древесина состоит только из за­болони, и лишь с течением времени происходит отмирание живых клеток, сопровождающееся обычно потемнением.

В период весны, когда в стволе появляется много сока, камбий развивает большую деятель­ность, откладывая во внутреннюю часть значительное количество крупных клеток. Летом по мере уменьшения количества питательных соков актив­ность камбия замедляется, и откладывается меньшее количество клеток и меньших размеров. В зимнее время жизнедеятельность камбия затихает, и рост дерева прекращается. Откладывание весенней и летней частей дре­весины, периодически происходящее из года в год, является причиной обра­зования годичных слоев (колец). Годичный слой состоит из светлого слоя древесины (ранняя древесина), обращенного в сторону сердцевины, и более темного, плотного, летней древесины, обращенного к коре (поздняя древе­сина).

Механическую функцию в древесине выполняют, в первую очередь, прозенхимные клетки - трахеиды, которые, главным образом, расположены вертикально. Стыкование трахеид в продольном направлении осуще­ствляется в процессе роста. Они своими заостренными концами врастают между собой и в другие анатомические элементы, так называемые "паренхимные клетки", имеющие одинаковые размеры во всех трех осевых на­правлениях. Эти клетки входят в состав "сердцевинных лучей", которые пронизывают в перпендикулярном направлении несколько годичных слоев.

Трахеиды составляют 90% общего объема древесины, и в 1см³ их при­близительно размещается 420000 шт. Трахеид ранней части годичного слоя обладает тонкими стенками (2-3 мкм) и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки (5-7 мкм) и меньшие полости. Длина трахеид 2-5 мм, размер поперечного сечения в 50-60 раз меньше длины.

Для более полного представления о стро­ении древесины рассматривается три разреза ствола: поперечный, радиаль­ный и тангентальный (рис. 1.2).

Древесина лиственных пород имеет несколько отличную от хвойных по­род структуру. Спиральное направление стенок клеток древесины листвен­ных пород приводит к большому короблению и растрескиванию пиломате­риала при сушке, ухудшению гвоздимости. Наличие этих недостатков и малая стойкость к загниванию ограничивает применение лиственных пород для деревянных конструкций. Более высокие прочностные показатели дре­весины твердых лиственных пород реализуются путем использования их для изготовления соединительных элементов (нагели, шпонки, накладки), а также опорных антисептированных деталей.

Физические свойства древесины Плотность. Поскольку влага со­ставляет значительную часть массы древесины, то величина плотности устанавливается при определенной влажности. С увеличением влажнос­ти плотность увеличивается и, поэто­му для расчетов при определении по­стоянных нагрузок используют ус­редненные показатели, представлен­ные в нормах [3].

Для конструкций, эксплуатируе­мых в условиях, когда равновесная влажность не превышает 12% (отап­ливаемые и неотапливаемые помеще­ния с относительной влажностью до 75%), плотность сосны и ели состав­ляет 500 кг/м³, а лиственницы 650 кг/м³.

Рис. 1.2. Основные разрезы ствола:

1 - осевой (П); 2 - радиальный (Р);

3 -тангентальный (Т).

Для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе или в закры­тых помещениях с высокой влажностью более 75%, плотность сосны и ели составляет 600 кг/м³, а лиственницы 800 кг/м³.

Теплопроводность древесины зависит от плотности, влажности и на­правления волокон. При равной плотности и влажности теплопроводность поперек волокон в 2,5-3 раза меньше, чем вдоль волокон. Коэффициент теп­лопроводности поперек волокон при стандартной влажности 12% более чем в 2 раза ниже, чем при влажности равной 30%. Эти показатели объясняют­ся трубчатым строением волокон древесины.

Температурное расширение. Коэффициент линейного расширения попе­рек волокон пропорционален плотности древесины, и в 7 - 10 раз больше коэффициентов расширения вдоль волокон. Это объясняется тем, что при нагревании древесина теряет влагу и меняет свои объемы.

В практике проектирования температурные деформации практически не рассматриваются, т. к. коэффициент линейного расширения вдоль волокон незначителен.