3. Механические свойства древесины

Механические свойства древесины выражают способность ее сопротивляться действию внешних сил. Для строительных деревянных конструкций важнейшими являются прочность - сопротивление разрушению и жесткость - сопротивление деформированию.

Благодаря особенностям строения, древесина является анизотропным материалом. Ее механические свойства неодинаковы в различных направлениях и зависят от угла между направлением действия силы и направлением волокон. Если направления совпадают, прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз меньше, если угол действия силы по отношению к направлению волокон приближается к 90 °.

Прочностные свойства

Выделяют прочность древесины на растяжение, сжатие, изгиб, скалывание, срез. Количественно они оцениваются пределом прочности - напряжениями, при которых образец, испытанный по стандартной методике, разрушится.

Испытания выполняют на малых, свободных от недостатков, образцах за действия кратковременной нагрузки.

Растяжение

Теоретически высочайшую прочность древесина имеет именно за растяжения (предел прочности для сосны вдоль волокон 80 ... 100 МПа). Однако такая высокая прочность не может быть использована в конструкциях из-за значительного влияния недостатков, которые в той или иной степени, но всегда присутствуют в реальных конструкциях. Особенно ухудшают условия сучки, выходящие на кромку и наклон волокон. Опыты показали, что сучки размером в 1/4 стороны сечения элемента снижают прочность по отношению к стандартному образцу на целых 70%. Кроме того, возникают трудности при конструировании узлов в конструкциях с растянутыми элементами. Поэтому нормами рекомендуется использовать древесину в основном для работы на сжатие и изгиб.

Разрушение по растяжению проходит хрупко без развития пластических деформаций, то есть неожиданно и мгновенно.

Сжатие

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон показывают, что сопротивление древесины сжатия в 2 ... 2,5 раза ниже, чем за растяжения и составляет для сосны около 40 ... 50 МПа. Зато и влияние сучков значительно меньше - сучки размером 1/3 стороны с выходом на кромку дают снижение прочности к 30 — 40%. Если принять во внимание, что размеры сечения сжатых элементов назначаются из расчета устойчивости, а не прочности, то такое снижение практически нивелируется. Благодаря указанных особенностей, работа сжатых элементов в конструкциях более надежной, чем растянутых. Этим объясняется широкое применение металлопластиковых деревянных конструкций, в которых основные растянутые элементы выполнены из стали, а сжатые — из древесины.

Разрушение по сжатия имеет вязкий (плавный) характер с развитием пластических деформаций и произойдет вследствие смещения волокон в средней части образца.

Подобно работает древесина по торцевой поверхности, т.е. на смятие, поэтому нормы не устанавливают различия между сжатием и смятием.

Изгиб

При изгибе показатель прочности занимает промежуточное значение между растяжением и сжатием и составляет для сосны примерно 75 МПа. Наличие растянутой зоны делает значительным влияние сучков и других пороков - снижение прочности достигает 50 ... 55%. При этом с увеличением массивности элемента, особенно в бревнах, влияние пороков на прочность уменьшается.

Разрушение при изгибе начинается в крайних волокнах сжатой зоны, где образуются складки, и заканчивается разрывом растянутых волокон, чему предшествует развитие пластических деформаций.

Смещение

В настоящее время сопротивление древесины смещения изучен недостаточно. Смещение разделяют на:

- Срез - смещение в плоскости, перпендикулярной к волокнам. Древесина очень хорошо сопротивляется срезу, поэтому проверку прочности на срез выполняют редко;

- Скалывание - смещение в плоскости, параллельной волокон. Он может проходить вдоль или поперек направления волокон. Это наиболее слабое прочностные характеристика древесины. Предел прочности скалыванию для сосны составляет 6 — 7МПа, а разрушение имеет хрупкий характер. В конструкциях чаще всего имеет место скалывания вдоль волокон, поэтому испытания проводят именно на этот вид смещения.

Деформационные свойства

Деформации древесины бывают упругие (от кратковременных нагрузок), эластичные и остаточные (при длительном воздействии нагрузки). Упругие деформации исчезают сразу после разгрузки, эластичные тоже исчезают через некоторое время, а остаточные остаются навсегда. Например, балки, прогнулись при длительной эксплуатации, после снятия нагрузки никогда не восстановят своей начальной формы.

Характеристикой деформативности древесины, как и большинства других материалов, является модуль упругости. Значение его колеблется в большом диапазоне и зависит от многих факторов: породы, плотности, влажности древесины и тому подобное. Модуль упругости лабораторных образцов вдоль волокон может достигать 15000 МПа. В реальных конструкциях он в полтора раза ниже. В нормах независимо от породы модуль упругости воздушно-сухой древесины принят Е = 10 000 МПа - вдоль волокон и Е₉₀ = 400 МПа - поперек волокон.

Древесина обладает незначительной твердостью, особенно поперек волокон. Это свойство облегчает обработку древесины, но делает ее поверхность уязвимой к повреждениям. Малая твердость и волокнистое строение дают возможность относительно легко забивать гвозди в древесину, которые прочно удерживаются волокнами, раздвинутыми острием гвоздей.