Сорта древесины

В строительных конструкциях допускается применять 3 сорта древесины.

1 сорт рекомендуется применять в центрально-растянутых элементах, в растянутой зоне изгибаемых, и сжато - изгибаемых элементах при использовании более 70% материала (его прочность).

2 сорт применяют в центрально – сжатых, сжатых, изгибаемых, сжатой зоне сжато – изгибаемых элементов при использовании менее 70% расчетного сопротивления материала.

3 сорт применяют в малоответственных деталях и элементах, разрушение которых не приводит к выходу из строя всего сооружения.

Модуль упругости древесины

Экспериментально установлено, что модуль упругости древесины не зависит от вида напряженного состояния и его величина при растяжении, сжатии вдоль волокон и изгибе практически одинакова. Поэтому в СНиПе он равен Е=10 000 МПа=100 000 кгс/см². При расчете на выносливость Е=300·R_с; для фанеры Е=8500 МПа.

Длительная прочность древесины

Косвенно установлено, что прочность древесины зависит от вида и длительности действующей нагрузки.

Различают временную прочность (временное сопротивление) R_вр и длительную прочность (длительное сопротивление) R_дл древесины, а также нормативное R_н и расчетное R сопротивления древесины, которые зависят от первых двух значений. Величина R используется при расчетах деревянных конструкций на прочность и устойчивость. Средние значения временного сопротивления для чистой древесины сосны при влажности 12% и комнатной температуре, согласно СНиП II-25-80*, равны на сжатие – 44МПа; на растяжение – 100МПа; на изгиб 80 МПа; на скалывание – 7МПа.

Переход от временного сопротивления древесины к ее длительному сопротивлению на практике производится умножением R_вр на коэф-нт длительного сопротивления m_дл, который изменяется для древесины от 0,5 до 0,55.

Реальные деревянные конструкции в действительности находятся под воздействием комплекса нагрузок с различной длительностью действия:

• постоянные (действуют весь срок службы);

• временные длительные (действуют в течение нескольких недель или месяцев);

• временные кратковременные (действуют в течение нескольких часов или суток).

Из вышесказанного видно, что величина фактической прочности древесины зависит от соотношения этих нагрузок, поэтому специально в расчете учитывается преимущественное влияние постоянных и длительных временных нагрузок (см. п.3.2.,в – СНиП II-25-80).

Снег как нагрузка (лежит не круглый год, а всего 4 месяца) учитывается коэффициентом длительного сопротивления, который равен 0,66.

1.7. Прочность древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон стандартных образцов (W=12%) высокий и для древесины сосны и ели в среднем равен 100МПа. Наличие сучков и присучкового косослоя снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с выходом на ребро. При размере сучков ¼ стороны элемента предел прочности составляет 0,27 предела прочности стандартных образцов. Из этого видно насколько важен правильный отбор древесины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций.

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается за счет концентрации напряжений у мест ослаблений. Также прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность крупных образцов меньше, чем у мелких. Это объясняется неоднородностью их строения.

При разрыве поперек волокон (в связи с анизотропностью строения древесины) предел прочности в 12-17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Здесь сказывается влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направлением волокон. Чем больше косослой, тем больше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой – второй по значимости порок. Величина косослоя в растянутых волокнах должна строго ограничиваться.

Диаграмма работы сосны на растяжение (рис. 2), в которой по оси Х откладывается относительная деформация ε, а по оси Y относительное напряжение φ, которое выражено в долях от предела прочности. При φ ≤0,5 диаграмма имеет незначительную кривизну и в расчетах может приниматься прямолинейной. При этом φ=0,5 рассматривается как предел пропорциональности (работает закон Гука).

_φр,с

1							1
0,9								2
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
	1	2	3	4	5	6	7	ε,%

Рис. 2. Приведенная диаграмма работы сосны: 1 – при растяжении; 2 – при сжатии

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2-2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели (W=12%) предел прочности на сжатие ≈ 40МПа. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении.

В деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на продольный изгиб, т.е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря этим обстоятельствам работа сжатых элементов в конструкции более надежна, чем растянутых. Поэтому так широко применяются металлодеревянные конструкции, в которых растянутые элементы делают из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые из дерева.

Приведенная диаграмма сжатия (рис. 2) при φ>0,5 более криволинейная, чем при растяжении. При меньших значениях φ криволинейность небольшая и она может быть принята прямолинейной до условного предела пропорциональности, который равен 0,5. Уровень напряжений =0,5 принят в качестве базовой при расчете деревянных конструкций.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели (W=12%) предел прочности при изгибе в среднем 75МПа. При изгибе имеется растянутая зона, поэтому влияние сучков и косослоя значительно. При размере сучков в 1/3 стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5-0,45 прочности бессучковых образцов. Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб меньше, чем в пиломатериалах, т.к. в бревнах отсутствует выход на кромку перерезанных при распиловке волокон (как в пиломатериалах) и отщепление волокон в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при изгибе по обычной формуле σ=М/W соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и действительно в пределах небольших напряжений (рис. 3). При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаграммой работы на сжатие принимает криволинейный характер. Нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

Рис. 3. Эпюры напряжений в изгибаемом деревянном элементе

I ст. – работа древесины в упругой стадии (диаграмма прямолинейная) h₁=h₂; σ₊=σ_-.

II ст. – упруго - пластическая работа (диаграмма в сжатой зоне искривлена, в растянутой практически прямолинейная) h₁ >h₂; σ₊>σ_-.

III ст. – предшествующее разрушению (значительное искривление в сжатой зоне, незначительное в растянутой зоне сечения). h₁>>h₂; σ₊>>σ_-.

В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же моменте сопротивления у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. В расчетах эти факторы учитываются введением соответствующих коэф-тов к расчетным сопротивлениям.