Часть 3. Деревянные конструкции

1. Основные свойства строительной древесины. Строение дерева и древесины. Сортамент строительной древесины.

Для древесины основными и наиболее важными являются следующие свойства:

1. Механические: прочность, твёрдость, деформативность, удельная вязкость, эксплуатационные характеристики, технологические характеристики, износостойкость, способность удерживать крепления, упругость;

2. Физические: внешний вид (текстура, блеск, окраска), влажность (усушка, коробление, водопоглощение, гигроскопичность, плотность), тепловые (теплопроводность), звуковые (акустическое сопротивление, звукопроводность), электрические (диэлектрические свойства, электропроводность, электрическая прочность);

3. Химические свойства.

Древесина является анизотропным материалом, то есть материалом с неодинаковыми свойствами по направлениям относительно волокон. (Так, например, усушка вдоль волокон меньше, чем поперёк волокон, а усушка в радиальном направлении меньше, чем в тангентальном. Различны также, в зависимости от направления волокон, влагопроводность, паропроницаемость, звукопроводность и некоторые другие характеристики).

• Прочность древесины — способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Различают прочность на сжатие и растяжение по направлениям приложения нагрузки — продольной и поперечной; статический изгиб.

• Твёрдость древесины — способность древесины сопротивляться внедрению в неё более твёрдого тела. Для оценки твёрдости древесины используется тест Янка

• Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу, то есть постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Износ боковых поверхностей больше, чем торцовых; износ влажной древесины больше, чем сухой.

• Влажность древесины. Различают абсолютную и относительную влажность древесины.

  • Абсолютная влажность древесины — это отношение веса содержащейся в древесине влаги по отношению к массе абсолютно сухой древесины, выраженная в процентах. (Если образец 300 г после сушки стал весить 200 г, то его абсолютная влажность (300—200)/200*100 % = 50 %)

  • Относительная влажность древесины — это отношение веса содержащейся в древесине влаги к весу сырой древесины, выраженное в процентах.

(Если образец 300 г после сушки стал весить 200 г, то его относительная влажность (300—200)/300*100 % = 33 %)

Влажность древесины определяется следующим образом: измеряется масса пробы влажного материала, затем измеренная проба высушивается в сушилке при температуре 100—105 °С, затем происходит повторное взвешивание, но уже сухого материала. Разница между массой влажного и сухого материала как раз и определяет количество воды, содержащееся в образце.

Для практических целей наибольшую важность имеет относительная влажность древесины, так как именно она показывает степень пригодности древесины к той или иной технологической операции. (Например, для склеивания оптимальна древесина с относительной влажностью 4—6 %, усушка древесины начинается при относительной влажности менее 30 %, развитие грибковых поражений древесины происходит при относительной влажности от 22 % до 80 % и т. п.)

Древесину по влажности делят на следующие категории:

• сырая — 23 % и более

• полусухая — 18—23 %

• воздушно-сухая — 12—18 %

• сухая — 8—12 %.

Чем больше влажность древесины, тем сложнее её использовать в производстве. Сырая древесина хуже клеится; если при производстве каких-либо изделий использовалась влажная древесина, то по мере её высыхания в предмете могут появляться трещины и щели между досками. Для предотвращения этого необходимо произвести предварительную сушку древесины.

• Гигроскопичность — свойство материала поглощать влагу из окружающей среды. Данное свойство зависит от влажности древесины. Сухая древесина обладает большей гигроскопичностью, чем влажная. Для уменьшения гигроскопичности материал покрывают масляными красками, эмалями или лаками. Гигроскопичность напрямую зависит от другого свойства древесины — пористости.

• Пористость — отношение объёма пор к общему объёму древесины. Для древесины различных видов пористость имеет разное значение, но в среднем разбег её значения составляет 30—80 %.

• Разбухание древесины проявляется при нахождении материалов при повышенной влажности воздуха длительное время.

• Усушка — изменение размеров при потере влаги древесиной в результате сушки. Усушка происходит естественным образом. Прямым следствием усушки является образование трещин.

• Коробление происходит в результате неравномерной сушки древесины. Высыхание древесины происходит быстрее в слоях более удалённых от сердцевины, поэтому если сушка производилась с нарушением технологии, происходит изменение формы древесины, она коробится. Коробление под действием усушки различно по разным направлениям. Вдоль волокон оно незначительно и составляет примерно 0,1 %. Изменения размеров поперёк волокон более значительны и могут составлять 5—8 % от начального. Кроме того, коробление часто сопровождается появлением трещин в древесине, что сильно сказывается на качестве конечного продукта.

Коробления и образования трещин можно избежать при соблюдении технологии сушки и при использовании определённых техник во время сборки изделий. Так, например, в брёвнахна всю длину материала делаются продольные разгрузочные пропилы, которые снимают внутренние напряжения, образующиеся при усушке.

• Растрескивание — результат неравномерного высыхания наружных и внутренних слоёв древесины. Процесс испарения влаги продолжается до тех пор, пока количество влаги в древесине не достигнет определённого предела (равновесного), зависящего напрямую от температуры и влажности окружающего воздуха.

• Теплопроводность. В отличие от других строительных материалов, древесина является менее теплопроводной. Это позволяет использовать её для теплоизоляции помещения.

• Звукопроницаемость — способность материала проводить звуковые волны. Если по теплопроводности древесина — более предпочтительный материал, то по звукопроницаемости древесина проигрывает другим строительным материалам. В связи с этим при строительстве стен и деревянных перекрытий необходимо использовать дополнительные материалы (засыпки), снижающие показатель звукопроницаемости.

• Электропроводность — способность материала проводить электрический ток. Данное свойство у древесины напрямую зависит от влажности.

• Цвет — своеобразный индикатор, показывающий качество, возраст и состояние древесины. Качественная и здоровая древесина имеет равномерный цвет без пятен и прочих вкраплений. Если в древесине присутствуют вкрапления и пятна, это свидетельство её загнивания. Цвет древесины может изменяться также под влиянием атмосферных условий.

• Запах зависит от содержания в древесине смол и дубильных веществ. Свежесрубленное дерево имеет более сильный запах, а по мере высыхания дерева и испарения влаги и эфирных смол запах ослабевает.

• Текстура — рисунок, образующийся при распиливании дерева. Плоскость распила пересекает годичные кольца и слои древесины, образовавшиеся в разное время, в результате образуется характерный узор годичных линий, по которому и отличают древесину от других материалов.

• Вес древесины — различают удельный и объёмный вес древесины. Удельный вес — масса единицы объёма древесины без учёта пустот и влаги. Данный вес не зависит от породы древесины и составляет 1,54 г/см³. Объёмный вес — это масса единицы объёма древесины в естественном состоянии, то есть с учётом влаги и пустот.

• Наличие пороков — особенностей и недостатков строения древесины и ствола дерева, возникающих во время его роста или после спиливания. Отдельные группы пороков могут возникать в древесине при обработке её человеком (дефекты обработки древесины) или при поражении её грибами.

Дерево - прекрасный строительный и поделочный материал, оно обладает рядом ценных качеств: легко колется, пилится, режется, достаточно прочное и твердое, упругое, легко склеивается и наконец имеет небольшой удельный вес, хотя обладает и недостатками: горит и гниет. Дерево как и всякий другой материал, существует в двух формах: исходная - круглый лес, бревно, ветки, корни и вторичная производная - доски, брус фанера, шпон, щепа, кора и многое другое. Строение дерева. В растущем дереве различают: верхнюю ветвистую часть дерева - крону, ствол и корни. Корни дерева всасывают воду из почвы вместе с растворенными питательными веществами. Толстые корни разветвляются на более тонкие и капилляры, которые часто простираются в почве за пределы кроны. Крона состоит из ветвей и листьев или хвои. Часть воды, поступившей от корневой системы, испаряется через листья. Остальная вода с растворенными в ней минеральными питательными веществами под воздействием солнечного света и тепла образует органические питательные вещества, необходимые для роста дерева. Листья усваивают из воздуха углекислый газ, распадающийся на углерод и кислород. Кислород выделяется в воздух. Органические питательные вещества, образовавшиеся в листьях, во внутренней части коры, называемой лубом поступают вниз и распространяются по всему дереву. Это так называемый нисходящий поток сокодвижения. Ствол проводит влагу с растворенными минеральными и органическими веществами от корней к кроне и обратно. Он дает основную массу древесины ( от 50 до 90% объема всего дерева). Тонкую часть ствола называют вершиной; нижнюю, толстую часть - комлем.

Строение и свойства древесины. Чтобы получить более полное представление о строении древесины, рассматривают три главных разреза ствола - поперечный, радиальный и тангентальный, на которых видны годичные слои. Поперечный разрез проходит перпендикулярно оси ствола и образует торцевую плоскость. Радиальный разрез - продольный, проходит через сердцевину ствола. Танегентальный разрез проходит вдоль ствола, но удален от сердцевины на разное расстояние. Древесина полученная при указанных разрезах, имеет различный вид или рисунок и отличается своими качествами и свойствами. На поперечном разрезе ствола различают: кору, древесину с годичными кольцами и сердцевину. Кора покрывает дерево сплошным кольцом и состоит из наружного пробкового слоя и внутреннего лубяного. Наружный слой защищает дерево от атмосферных влияний и механических повреждений, внутренний передает вниз по стволу органические питательные вещества, выработанные в листьях кроны. Кора бывает разной по виду и цвету. Она используется для дубления кож, получения некоторых химических веществ, служит сырьем для производства лекарственных препаратов, а также дегтя; из пробкового слоя изготавливают поплавки, пробки, теплоизоляционные и строительные плиты. Из луба делают мочало, рогожи, веревки и многое другое. Камбий - слой, неразличимый невооруженным глазом, находящийся па границе между древесиной и корой. При росте камбиальные клетки слегка вытягиваются по радиусу ствола и делятся тангенциальными перегородками. Одна из образовавшихся клеток остается камбиальной, а другая идет на формирование элементов древесины или коры. Деление клеток в сторону древесины происходит в 10 раз чаще, чем в сторону коры, поэтому древесина нарастает быстрее коры. В условиях умеренного климата деятельность камбия проявляется периодически: - замирает на зиму и возобновляется весной. Следствием этого является слоистость древесины (образование годичных слоев). Древесина с годичными кольцами составляет основу ствола и имеет главное промышленное значение. Она располагается концентрическими годичными кольцами от центральной узкой части ствола в виде рыхлой ткани - сердцевины до периферийной - коры. У отдельных пород центральная часть древесины имеет более темную окраску. Эта часть ствола называется ядром, а более светлая, периферическая - заболонью. Такие породы древесины называют ядровыми. К ним относятся:дуб, ясень, сосна, лиственница и др. Породы, у которых нет явного различия между периферической и центральной частью ствола, называются безъядровыми. Безъядровые породы, в свою очередь, подразделяются на спелодревесные и заболонные. У спелодревесных пород глубокие слои отличаются по цвету от молодых, но имеют одинаковые свойства и строение. К таким породам относятся липа, ель, пихта и другие. У заболонных пород по всей толще строение древесины одинаковое. Восходящее сокодвижение у таких деревьев происходит по всей толщине ствола. К таким породам относятся береза, осина ольха, клен. Сердцевинные лучи в растущем дереве служат для проведения воды и питательных веществ в горизонтальном направлении и для хранения запасных питательных веществ зимой. Число сердцевинных лучей в древесине очень велико. Так, у сосны и березы на поверхности тангенциального разреза насчитывается свыше 3000, а у можжевельника, где лучи чрезвычайно узкие - до 15000 лучей. Ширина сердцевинных лучей колеблется от 0,0005 до 1 мм. В древесине хвойных пород на долю сердцевинных лучей приходится 5 - 8% общего объема древесины, лиственных - около 15%, т. е. в 2,5 - 3 раза больше.

Сортамент строительных материалов из древесины

На строительный рынок древесина поступает в виде круглых бревен или пиленных лесоматериалов. Бревном считают круглый лесоматериал, имеющий толщину в торце не менее 14 см, длину 4—4,5 м. По качеству бревна делят на четыре сорта и бессортные (мелкие). С целью рационального использования древесины бревна в строительных конструкциях не обрабатывают в "цилиндр", а оставляют со сбегом — уширением к корню (8 мм на 1000 мм длины). Бревна должны быть очищены от сучьев вровень с поверхностью, опилены под прямым углом к продольной оси, окорены и должны иметь припуск по длине в соответствии с действующими стандартами. Влажность бревен несущих конструкций, пролетных строений, а также бревен, поставляемых на пропиточные заводы для антисептирования под давлением, не должна превышать 25%. Сортамент бревен, используемых без продольной распиловки, приведен в таблице 1.

Таблица 1. Сортамент бревен, применяемых без продольной распиловки
Наименование	Диаметр в верхнем отрубе в мм	Длина в м
Бревна:
строительные	от 120 до 300 мм с градацией через 10 мм	от 2 до 9 с градацией через 0,25 м; для лиственных пород от 3 до 9 с той же градацией
для столбов внутриплощадочных линий связи	180-240	11-13
для фидерных столбов внутриплощадочного электроснабжения	120-240	от 4 до 9 с градацией 0,5 м; 11-13
Подтоварник	80-110	от 3 до 9 с градацией 0,25 м

Рис. 5. Сечения стандартных заготовок пиломатериалов: 1 — бревно; 2 — пластина; 3 — четверть; 4 — лежень; 5 — горбыль; 6 — брус полуобрезной; 7 — брус четырехкантный; 8 — необрезные доски; 9 — обрезные доски; 10 — брусок; 11 — доска тонкая; 12 — доска толстая; 13 — комель; 14 — верхний отруб

Пиломатериалы изготовляют из хвойных и лиственных пород. Их различают по сечению и способу распиловки (рис. 5):

— по размерам поперечного сечения:

1. доски, если ширина более двойной толщины;

2. бруски, если ширина не более двойной толщины;

3. брусья, если толщина и ширина более 100 мм;

— по характеру обработки: обрезные, если все четыре стороны обрезаны, и необрезные, если пласти пропилены, а кромки частично или полностью не пропилены.

Рис. 6. Основные разрезы ствола: 1 — торцевой (поперечный); 2 — радиальный; 3 — тангенциальный

Если распиливать бревна поперечным способом, пиломатериалы будут резко отличаться друг от друга по качеству и внешнему виду. Те, что взяты из середины ствола, называются сердцевидными. На них годичные кольца расположены к плоскости спила как бы под прямым углом. Древесина этих досок наиболее прочна и устойчива. "Боковыми" называются доски, полученные из крайних частей ствола (тангенциальный разрез). Эти доски красивы по текстуре, поэтому их лучше использовать для отделочных работ (рис. 6). В несущих конструкциях такие доски применять не следует, так как они легко деформируются. Для получения досок высокого качества с относительно равномерной текстурой используют так называемый радиальный разрез. Для этого ствол сначала рассекают на четыре доли, а затем каждую часть по радиальным направлениям распиливают дальше. Это неэкономичный распил, так как он дает большое количество отходов, однако в мебельном производстве и для изготовления отделочного материала такой распил используется часто. Массив таких пиломатериалов прочен, равномерен и необходим для тяжелых конструкций или для особо важных несущих деталей.

Рис. 7. Составные элементы досок: 1 — внутренняя грань; 2 — наружная грань; 3 — верхняя поверхность; 4 — нижняя поверхность; 5 — длина; 6 — толщина

Длина пиломатериалов хвойных пород — не более 6,5 м, лиственных— не более 5 м. Для специальных сооружений могут применяться пиломатериалы длиной до 9 м, выполненные по спецзаказу. Толщина и ширина пиломатериалов определяются сортаментом. Широкую грань доски, обращенную в сторону сердцевины, называют внутренней, а противоположную — наружной, лучшую по качеству поверхность называют верхней. Соответственно, противоположная сторона именуется нижней (рис. 7).

Ширина — размер, определяемый расстоянием между кромками доски или бруса в направлении, перпендикулярном продольной оси. Ширина обрезной доски измеряется по широкой грани в месте, где нет обзола, но не ближе 1500 мм от торца. Ширина необрезной доски измеряется на расстоянии от торца, равном размеру ширины доски. В местах замера ширины доски не должно быть вмятин, зарубок и сколов. Длина — размер, определяемый кратчайшим расстоянием между торцами доски или бруса, опиленными условно перпендикулярно продольной оси пиломатериала. Толщина — размер, определяемый расстоянием между пластями в направлении, перпендикулярном пластям. Выход пиломатериалов из заготовок круглого леса приведен в таблице 2.

Таблица 2. Норматив выхода обрезных пиломатериалов на 1 м3 бревен
Вид древесины	Диаметр бревен, мм	Сорт	Выход из 1 м3
			Пиломатериалов, м3	Дровяных отходов, м3	Опилки, м3
Хвойные породы	140-240	2	0,591	0,269	0,14
То же	Свыше 260	2	0,637	0,223	0,14
Лиственные породы (включая березу)	140-240	2	0,553	0,307	0,14
То же	Свыше 260	2	0,565	0,295	0,14
Осина	140-240	2	0,481	0,379	0,14
То же	Свыше 260	2	0,512	0,348	0,14
Примечание: 1) При увеличении сорта круглого леса до 1-го, норматив выхода пиломатериалов повышается на 3%. 2) При снижении сорта круглого леса до 3-го, норматив выхода пиломатериалов снижается на 2%, до 4-го сорта — на 7% . 3) При смешанной поставке крупных и средних бревен норматив выхода пиломатериалов принимается как среднеарифметическое между средними и крупными бревнами.

Пиломатериалы хвойных пород по качеству делятся на шесть сортов: отборный, I, II, III, IV и V. Доски высшего сорта используют в судо- и вагоностроении. Доски I и II сорта применяют для устройства полов, столярных изделий, несущих балок, клееных конструкций и т.д. Доски III сорта идут для подшивки потолков под штукатурку, IV сорт — для крышной обрешетки, заборов и т.д. Доски V сорта используют в щитовых перегородках, для изготовления ящичной тары и т.д.

Рис. 8. Строганые заготовки: 1 — паз; 2 — гребень; 3 — выборки "в четверть"; 4 — доски с фигурной поверхностью ("вагонка")

Строганые материалы и полуфабрикаты являются продуктом промышленной обработки. Их применение позволяет снизить трудоемкость строительных работ, повысить качество со снижением сроков строительства. Доски строганые (рис. 8) подразделяют на плоскостроганные (с плоскими гранями); шпунтованные, имеющие на одной кромке паз (шпунт), а на другой — гребень; фальцованные и с фигурной поверхностью, имеющие дорожки помимо шпунта и гребня (вагонка, рустик). Для строганых материалов приняты те же стандартные размеры, что и для нестроганых. При строгании снимается слой древесины с каждой пласти в 2 мм, а с каждой кромки — 3 мм. Строганые доски делятся на 3 сорта : отборный, 1-й и 2-й сорта.

Бруски строганые могут быть плоскими и с фигурными кромками (плинтусы, галтели, карнизы, наличники, поручни, оконные и дверные бруски). Строганые погонажные детали изготавливают длиной 3 м и более с интервалом в 250 мм. В зависимости от качества древесины и чистоты обработки они подразделяются (кроме поручней) на 3 сорта. Отклонения от номинальных размеров не должны превышать (в мм) по ширине и толщине деталей +1 мм, по остальным размерам сечения (паз, гребень и т.п.) деталей ±1мм. Погонажные детали изготавливают преимущественно из сосны, лиственницы, кедра, ели и пихты. Допускается использование бука, березы, ольхи, осины и тополя, а в особых случаях — дуба. Влажность древесины внутренних деталей не должна превышать 12%, а наружных наличников — 15%.

Чистота обработки должна удовлетворять следующим требованиям: лицевые поверхности, а также стороны, сопрягаемые между собой, должны быть чисто простроганы. Непараллельность пластей и кромок деталей допускается в пределах отклонений от норм по длине и ширине, кривизна по кромке пласти, продольная покоробленность и крыловатость деталей допускается не более 0,1% длины детали, а для деталей 3-го сорта — не более 0,25%.

Пиломатериалы лиственных пород (дуб, ясень, клен, береза и т.п.) применяются для изготовления столярных строительных изделий, используемых для высококачественной отделки эксклюзивных зданий. Кроме того, из лиственных пород можно изготавливать мебель и отделочные элементы интерьера, а также использовать их в качестве планок (клепок) для паркетных полов.

За последние годы в строительстве стали широко применять так называемую облагороженную древесину — древесные пластины, которые получают из продуктов переработки натуральной древесины, склеенных синтетическими смолами при высоких давлении и температуре.