2. Свойства дерева как конструКционнОго материала

На территории России леса занимают около 730 млн. га, что составляет около 20% лесной площади всего мира. Хвойные леса в России составляют 78%, из них: сосновые –16%, еловые – 11%, пихтовые – 3,5%, лиственничные – 40%, кедровые – 5%. Мягкие лиственные породы (осина, тополь, ольха, липа) занимают площадь 16,4%, в том числе береза –13,5%; твердые лиственные породы (дуб, бук, граб) – 5,6 млн га. Общий запас спелой древесины на корню превышает 80 млрд. м³. Ежегодный естественный прирост древесины составляет 870 млн м³. Объем вывозки деловой древесины приближается к 330 млн м³ в год.

Древесина – органическое вещество, состоит из тканей, образованных различного типа клетками. Структурные (прочностные) клетки составляют скелет дерева и обеспечивают его прочность. Для проведения соков и накопления питательных веществ имеются особые паренхимные клетки (рис. 2.1).

В лиственных породах прочностные функции выполняют клетки с толстыми одревесневшими оболочками – удлиненные клетки либриформа, составляющие 75% от всего объема. Проводящими клетками служат сосуды –длинные клетки с широкими полостями. Накопляющие клетки образуют горизонтальные сердцевинные лучи.

Рис. 2. 1. Строение хвойной древе­сины:

а) – поперечное сечение ствола; б)– пласть доски; в – микроструктура;

1– волокна древесины; 2 – ядро; 3 – заболонь; 4 – сердцевина; 5 – ранние

годовые слои; 6 –поздние годовые слои; 7 – клетки – трахеиды

Основным элементом древесины хвойных пород являются трахеиды, которые занимают до 95% от общего объема древесного ствола. Трахеиды представляют собой вытянутые вдоль ствола пустотелые отмершие клетки, проводящие воду от корней к кроне. Они придают древесине механическую прочность. Длина трахеид составляет 2–5мм, ширина – 30–70 мкм, толщина их стенок в ранней части годичного слоя – 2–3 мкм, в поздней части 5-7мкм, что определяет значительную прочность поздней древесины по сравнению с ранней.

Паренхимные клетки, входящие в состав сердцевинных лучей, в хвойных породах занимают около 7%, в лиственных – 18% полного объема древесины.

Основным структурным элементом клеточной оболочки являются микрофибриллы, состоящие из нитевидных макромолекул целлюлозы. Сплетение микрофибрилл образует оболочку клетки. Вдоль ствола фибриллы направлены по спирали, подобно расположению проволок в стальном тросе, что придает, по-видимому, значительную прочность стенке на растяжение.

Сердцевина – слабая по прочности и нестойкая против загнивания часть древесины.

Ядро – плотная, прочная часть древесины, обычно темнее наружной (сосна, лиственница, дуб). У ели, пихты, бука она одного цвета с наружной частью и называется спелой древесиной.

Заболонь – наружные слои древесины, на 5–10% слабее ядра. Береза, ольха – называются заболонными, так как у них наружная и внутренняя части ствола не отличаются по свойствам. Снаружи заболонь окружена камбием, клетки которого делятся. Клетки камбиального кольца делятся на клетки древесины, откладываемые внутрь, и клетки коры , откладываемые наружу.

Нарастание древесины происходит концентрированными слоями, состоящими из двух частей: светлая широкополосная весеннее-летняя часть – ранняя древесина с меньшей прочностью и плотностью; наружная темная – поздняя древесина с лучшими физико-механическими свойствами.

В полостях клеток и пустотах между клетками находится свободная вода, а в мельчайших порах между волокнами клеток – гигроскопическая вода. Испаряясь вода оставляет в древесине многочисленные поры. Волокнистость и пористость являются характерными особенностями строения древесины и сказываются на ее механических свойствах.

По длине ствола древесина имеет различные свойства. Более плотная и прочная древесина в комлевой части ствола. У сосны в комлевой части меньше сучков, что улучшает ее свойства.

Древесина является хорошим и дешевым строительным материалом. Для изготовления деревянных несущих конструкций обычно применяют хвойные породы: сосну, ель, лиственницу, кедр и пихту. Древесина хвойных пород по прочности превосходит древесину большинства распространенных лиственных пород и меньше подвержена загниванию. Стволы хвойных деревьев имеют более правильную форму, что позволяет полнее использовать их объем.

Из хвойных пород наиболее широко применяется сосна, отличающаяся наибольшей прямизной ствола и хорошими техническими свойствами древесины. Древесина ели в сухом состоянии по прочности почти не уступает древесине сосны, но более подвержена загниванию. Древесина лиственницы прочнее и более стойка против загнивания, чем древесина сосны, но труднее обрабатывается и легко раскалывается, поэтому не допускается в гвоздевых конструкциях. Древесина пихты по прочности слабее сосны, малостойка против загнивания и легко раскалывается; ее рекомендуется применять в антисептированном виде и не в гвоздевых конструкциях.

Древесина твердых лиственных пород – ясеня, граба, бука, клена – для изготовления элементов деревянных конструкций применяется лишь в тех районах, где эти породы являются местным строительным материалом.

Дуб обладает большой прочностью, особенно на сжатие поперек волокон и стойкостью против загнивания. Применяется в основном для изготовления мелких ответственных частей деревянных конструкций.

Для изготовления не ответственных конструкций, строительства временных зданий – складов, навесов, сараев и сооружений вспомогательного назначения – эстакад, вышек и других широко применяется древесина мягких и малоценных твёрдых лиственных пород – осины, березы, липы, тополя и ольхи, но с обязательной усиленной защитой от гниения.

Лесоматериалы, применяемые в строительстве, бывают круглые и пиленые. Для каждого из этих видов лесоматериалов соответствующими стандартами установлены классификация, сортность, сортамент, вид обработки, требования к качеству, допускаемые отклонения от нормальных размеров и условия приемки.

Древесина как конструктивный материал обладает рядом положительных свойств. Она имеет высокую механическую прочность и малую среднюю плотность. Заготовка древесины и ее первичная обработка не требуют сложного технологического оборудования. Заводская обработка древесины и изготовление конструкций отличается малой трудоемкостью и небольшим расходом электроэнергии.

Детали и элементы, изготовленные из древесины в заводских условиях, обладают высокой степенью сборности.

Коэффициент температурного расширения вдоль волокон древесины в 2 – 3 раза меньше, чем стали и железобетона, поэтому в сооружениях можно не устраивать температурные швы. Кроме этого, упрощается устройство опор плоскостных конструкций.

Древесина обладает очень малым коэффициентом теплопроводности и поэтому ее целесообразно использовать в качестве эффективного утеплителя. Деревянная стена толщиной в 11 см по теплопроводности эквивалентна кирпичной стене в два кирпича (51см.). Коэффициент теплопроводности, k_тепл= (Вт/м^.0С) составляет, для: дерева – 0,125; стали – 50; железобетона – 1,5; кирпичной кладки – 0,7.

Положительным свойством древесины является также ее гвоздимость.

Древесина – химически стойкий материал против ряда кислот, солей, растворов, масел и поэтому может применяться в зданиях с химически агрессивной средой эксплуатации.

Отрицательными свойствами древесины являются следующие:

1. Неодинаковая прочность в различных направлениях по отношению к волокнам (анизотропия) вследствие особенности строения. Прочность древесины на растяжение поперек волокон меньше в 20 – 40 раз, а на сжатие в 7 – 10 раз, чем вдоль волокон. При действии силы под углом к направлению волокон прочность древесины тем больше, чем меньше угол между направлением силы и волокон древесины. В поперечном сечении сердцевина слабее ядровой части. Кроме того, летняя древесина прочнее весенней.

2. Наличие пороков древесины (отклонения от нормального строения) – сучков, косослоя, трещин и др. Сучки нарушают однородность древесины, затрудняют ее обработку и ухудшают механические свойства. Особенно ухудшается сопротивляемость растяжению вдоль волокон. Влияние сучков на сопротивляемость древесины сжатию вдоль волокон меньше, чем на ее сопротивляемость изгибу.

Полное устранение пороков древесины недостижимо, возможно лишь уменьшение их влияния тщательным подбором и сортировкой.

В зависимости от размеров и наличия пороков устанавливаются сорта лесоматериалов, а в зависимости от назначения и вида работы элемента в конструкции устанавливаются три сорта элементов несущих конструкций (рис. 2.2):

1) растянутые элементы конструкций с использованием более 70% расчетного сопротивления древесины, ( на длине 20 см).

2) растянутые элементы конструкций с использованием до 70% расчетного сопротивления древесины; сжатые и изгибаемые элементы конструкций, ( на длине 20 см).

3) настилы, обрешетка под кровлю и неответственные элементы, повреждение которых не нарушает целостности несущих конструкций,

( на длине 20 см).

Основным качественным признаком, определяющим сорт элементов ДК, является количество и размеры сучков.

Содержащаяся в древесине вода, частично заполняющая внутренние пустоты, полости клеток и межклеточное пространство, называется свободной влагой, частично же пропитывающая оболочки клеток называется гигроскопической или связанной влагой. Свободная и гигроскопическая влага может быть удалена из древесины путем сушки. Химически связанная влага, входящая в состав веществ, образующих древесину, может быть удалена лишь при химической обработке древесины.

Рис. 2. 2. Сорта пилома­териалов по качеству дре­весины, определяемому

основными пороками: а, б, в — I, 2 и 3-й сорта; 1 — сучки;

2— наклон волокон

Максимальное количество гигроскопической влаги мало зависит от породы дерева и составляет около 30% при температуре 20⁰С. При такой влажности, называемой точкой насыщения клеточных оболочек (волокон), влага полностью насыщает стенки клеток, и дальнейшее увеличение влажности может происходить только за счет заполнения пустот в древесине – свободной влаги. При изменении влажности от нуля до точки насыщения клеточных оболочек изменяются объем древесины и линейные размеры элемента. Увеличение влажности в указанных пределах сопровождается явлениями разбухания, а уменьшение – явлениями усушки. Чем больше плотность древесины, тем больше ее усушка и разбухание. Соответственно различны усушка и разбухание у поздней (более плотной) и у ранней древесины. Усушка различна также и в разных направлениях. Следствием такой неравномерности усушки является коробление досок при высыхании. При увеличении влажности свыше точки насыщения волокон, когда влага занимает полости клеток, дальнейшего разбухания не происходит.

Конечная влажность древесины после сушки должна соответствовать, во избежание коробления, ее равновесной влажности в условиях эксплуатации.

Вода, содержащаяся в свежесрубленной древесине, находится как в древесных волокнах, так и в полостях клеток. Из физических свойств древесины особо важным в строительном деле является влажность. При сушке в первую очередь испаряется влага, заполняющая полости клеток – свободная влага. Она не вызывает коробление и не влияет на механические свойства древесины. Влага, находящаяся в стенках волокон, физически связанная, при испарении оказывает влияние на деформацию и изменяет свойства древесины. Хвойные породы содержат больше влаги, чем лиственные. Для изготовления конструкций из бревен или брусьев допускается влажность до 30%, клееных конструкций– до 9–12%, в остальных – до 15–20%.

Чем больше влаги в древесине, тем больше ее объемная масса ( =500–700 кг/м³).

В результате усушки или разбухания происходит изменение объема древесины, связанное с уменьшением или увеличением насыщенности влагой стенок волокон. Усушка и разбухание поперек волокон значительны и составляют 2–7%. Внутренние напряжения в результате усушки приводят к образованию трещин и короблению элементов ДК, особенно досок. Наиболее реальным способом предупреждения коробления досок является правильная их сушка.

С увеличением влажности уменьшается прочность древесины, модуль упругости и, в связи с этим, увеличиваются ее деформации.

Древесина содержит органические вещества, которые служат пищей для простейших растительных организмов, называемых дереворазрушающими грибами. Заражение древесины дереворазрушающими грибами может происходить в результате переноса спор людьми, животными, насекомыми, воздухом и т.д., а также при непосредственном соприкасании здоровой древесины с зараженной. Дереворазрушающие грибы нарушают механическую прочность древесины, превращая ее в труху. Наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности грибов следующие: влажность древесины – не менее 20%; относительная влажность среды – 80–100%; температура 5–25⁰С; неподвижность воздуха (отсутствие вентиляции).

Деятельность дереворазрушающих грибов и увлажнение древесины способствуют ее гниению. Существуют конструктивные и химические меры предупреждения гниения. К конструктивным мерам относятся: низкие температуры, отсутствие воздуха и обеспеченная влажность ниже 20%. К химическим мерам относится антисептирование. Антисептики –ядовитые вещества, водорастворимые и маслянистые.

Водорастворимые антисептики: фтористый или кремнефтористый натрий, кремнефтористый аммоний и др. Они применяются для защиты конструкций, не подвергающихся в процессе эксплуатации увлажнению и вымывающему действию воды. В условиях повышенной влажности применяются антисептические пасты на основе водорастворимых антисептиков и связующего – битума, кузбасслака и др. К маслянистым антисептикам относится каменноугольное или сланцевое масло и т.д.

Антисептирование древесины производят пропиткой под давлением, погружением в горячехолодные ванны, обработкой пастами, поверхностным опрыскиванием из гидропульта и др.

Существенным недостатком строительной древесины является ее сгораемость. Для уменьшения пожарной опасности рекомендуется:

а) защищать от возгорания открытые деревянные здания и сооружения известковой штукатуркой, огнезащитной покраской, обмазкой или пропиткой, растворами – сульфат аммония, фторид натрия, фосфат натрия, борная кислота, фосфат аммония;

б) выполнять по возможности здания с гладкими стенами и потолками;

в) изготовлять конструкции из клееных элементов;

г) применять строганые пиломатериалы для деревянных элементов зданий, оставляемых без огнезащитной обработки.

Нормами строительного проектирования установлены требования по огнестойкости строительных конструкций, то есть способности длительно сохранять в условиях пожара заданные эксплуатационные качества: нести расчетную нагрузку и ограждать помещения. Количественно огнестойкость выражается временем, в течение которого конструкция еще не утрачивает своих эксплуатационных качеств.

Предел огнестойкости клееных деревянных конструкций сплошного сечения выше металлических конструкций той же несущей способности, а в ряде случаев даже железобетонных конструкций с предварительно напряженной арматурой. Увеличение поперечных сечений несущих элементов деревянных конструкций приводит к увеличению предела огнестойкости. Установлено, что скорость обугливания древесины составляет 0,75–0,8 мм/мин. Сжатые элементы деревянных конструкций сплошного массивного сечения способны нести эксплуатационную нагрузку до того момента, когда сгорит половина поперечного сечения элемента. Размер минимального сечения несущих элементов деревянных конструкций должен быть не менее 12 см. Предел огнестойкости защищенных от возгорания несущих деревянных конструкций составляет более одного часа. Обязательна защита от возгорания для тонкостенных клеефанерных конструкций, а также для ограждающих конструкций – плит и панелей.

Плотность является важной физической характеристикой, от которой зависит прочность. Содержание поздней древесины в годовых слоях характеризует как плотность, так и прочность. Хорошим показателем механических свойств сосны является содержание поздней древесины в количестве 20–25%. Плотность древесного вещества всех пород – 1,5. На долю пустот приходится ½, ¾ его объема.

Механические свойства – прочность, жесткость, твердость. Их следует учитывать при воздействии на конструкции внешних нагрузок.

В конструкциях древесина подвергается следующим видам деформации: растяжению, сжатию, изгибу и сдвигу.

Древесина – материал с ярко выраженной анизотропией, то есть обладает разными механическими свойствами в разных направлениях. Анизотропия обусловлена структурой, строением и составом материалов.

Само строение древесины определяют три взаимно перпендикулярных направления:

а) вдоль волокон;

б) поперек волокон радиально (по радиусу поперечного сечения ствола);

в) поперек волокон тангенциально (по касательной к годичному слою).

По которым свойства древесины существенно различаются (рис. 2.3). Вдоль волокон древесина обладает наибольшей прочностью и упругостью, а в направлении поперек волокон - наименьшими.

Рис. 2.3. Главные разрезы ствола: П — поперечный; Р — радиальный; Т — тангенциальный

Механические свойства древесины зависят от следующих факторов:

1) От угла между направлением действующего усилия и направлением волокон (при изменении угла от 0 до 90⁰ расчетная прочность древесины на сжатие падает более чем в 7 раз).

2) От породы, строения древесины и ее плотности.

3) От скорости приложения нагрузки (при быстром приложении нагрузки предел прочности повышается).

Физическая суть особенностей длительной прочности и жесткости объясняется композиционной структурой и составом материалов. В древесине упругим элементом являются волокна древесного вещества, состоящие в основном из целлюлозы, а вязким – межклеточное вещество, состоящее преимущественно из лигнина. Нагружение древесины сопровождается переходом усилий с вязкого межклеточного вещества на упругую целлюлозную основу. Этот процесс требует времени и завершается тем скорее, чем выше напряжение. Если в результате перераспределения сил прочность целлюлозной основы будет превзойдена, то через промежуток времени, определяемый длительным сопротивлением материала, наступает его разрушение.

Понижение прочности древесины в условиях повышенной влажности учитывается в расчетах строительных конструкций соответствующими коэффициентами условий работ, которые вводятся в расчетную характеристику материалов. Для групп конструкций А1, А2, Б1 m_в=1; для А3, Б2 m_в=0,9; для В, Г1 m_в=0,85; для Г2, Д1, Д2 m_в=0,75; m_н=1,2 – для ветровой нагрузки ; m_н=1,2 – для монтажной нагрузки ; m_н=1,4 – для сейсмической нагрузки.

4) От длительности нагрузки. С увеличением продолжительности действия нагрузки предел прочности древесины снижается до некоторой постоянной величины k_дл. В верхней области, когда в древесине развиваются неупругие и незатухающие деформации, происходит разрушение. Коэффициент длительности k_дл=0,67;

5) От влажности древесины. С повышением влажности древесины от 0 до 30% (точка насыщения волокна – предел гигроскопичности) прочность вдоль волокон резко уменьшается, деформация увеличивается, модуль упругости снижается.

6) От температуры. При повышении температуры от 20 до 50° прочность понижается на 10–40%. При температуре ниже нуля предел прочности повышается до 30–70%, но снижается сопротивление ударному изгибу, а древесина становится более хрупкой.

Коэффициенты учитываются при всех видах сопротивления поперек волокон.

Лесоматериалы, применяемые в строительстве, делятся на круглые и пиленые, размеры которых определены соответствующими гос. стандартами, требованиями строительных норм и правил и техническими условиями на заготовку, производство и их применение (рис. 2.4) .

Рис. 2.4. Лесные материалы:

а) – пиленые; б) – круглые; 1 – пласть; 2 – торец,-; 3 – кромка; 4 – брус; 5 – толстая доска; 6 – тонкая доска; 7 – брусок; 8 – бревно; 9 –пластина;

10 – бревно окантованное

Пиломатериалы бывают следующих видов: доски – толщиной не более 100 мм при отношении /c>2; бруски – толщиной не более 100 мм при отношении /c 2; брусья – толщиной более 100мм; пластины и четвертины – бревна, распиленные вдоль на две и четыре равные части. Длина пиломатериалов бывает не более 6,5 м (для мостостроения – 9,5 м). Рекомендуемый сокращенный сортамент пиломатериалов для несущих деревянных конструкций (ГОСТ 8486–86*Е).