Показатели прочности древесины

П рочность древесины характеризует её способность сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Максимальная величина напряжений, выдерживаемых материалом без разрушения, называется пределом прочности. Способность древесины изменять свои размеры и форму при воздействии на неё усилий называется деформативностью: её показателями являются модули упругости, коэффициенты поперечных де­формаций, модули сдвига. Наука, устанавливающая наиболее общие за­коны развития во времени деформаций и течения любых веществ, называ­ется реологией. Реологические испытания древесины делят на два вида: на ползучесть, (когда ведутся наблюдения за величиной деформации образца под действием мгновенно приложенного и постоянного на протяжении ис­пытания напряжения) и на релаксацию, (когда образцу мгновенно сообща­ется начальная деформация, удерживаемая постоянной на протяжении все­го опыта, а величина начальных напряжений при этом уменьшается).

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон оценивается вели­чиной предела прочности σ_w, МПа, по максимальной разрушающей на­грузке Р_МAХ, приходящейся на единицу площади основания образца a b h = 20 x 20 x 30 мм (рис. 1.28)

Т ипичные виды разрушения образца при сжатии вдоль волокон показаны на рис. 1.29. Величина предела прочности у разных пород колеблется в преде­лах 39...75 МПа при влажности 12 % и в пределах 18.„42 МПа при влажно­сти 30 % и более. Диаграмма относительной прочности древесины сосны при сжатии вдоль волокон после тепловой обработки приведена на рис. 1.30. Сжатие древесины вдоль волокон имеет важное значение при исполь­зовании её для мебели, свай, строительных ферм, стоек, столбов и т.д.

С жатие поперёк волокон отличается от продольного сжатия и в зави­симости от породы и направления волокон (радиальное или тангенциаль­ное) имеет две формы типичной диаграммы сжатия σ(ε): трёхфазную и од­нофазную (рис. 1.31). Первая схема свойственна радиальному сжатию хвойной древесины. Начальный участок (упругая фаза) отражает сопро­тивление слабой ранней древесины годичных слоев. Вторая (пластичная фаза) – их смятие без дополнительных усилий. Третья (упругая фаза) – со­противление более прочных и жёстких элементов поздних зон характери­зуется уплотнением древесины без её разрушения. По этой же схеме де­формируют и лиственные породы в обоих направлениях. Однофазная диа­грамма характерна тангенциальному сжатию хвойной древесины и ради­альному сухой древесины дуба. Нагружение образцов приводит к их явно­му разрушению с выпучиванием в сторону выпуклости годичных слоев. Прочность поперёк волокон оценивается условным пределом прочности, равным пределу пропорциональности, и величиной местного смятия, чис­ленные значения которых для древесины разных пород находятся в преде­лах 1...11 МПа. На практике сжатие поперёк волокон и местное смятие на­блюдаются при изготовлении прессованной древесины, в шпалах под рельсами, в подкладках под стойки и т.д.

Растяжение вдоль волокон редко встречается в конструкциях, что связано с проблемой предотвращения разрушения деталей в местах закре­пления от сжимающих и скалывающих нагрузок. Предел прочности на рас­тяжение вдоль волокон для всех пород в среднем 130±40 МПа при влажности 12 % и 90 ± 40 МПа при влажности 30 % и более, при косо­слое – резко снижается (рис. 1.32),

Прочность древесины при растяжении поперёк волокон в радиаль­ном направлении больше, чем в тангенциальном у хвойных пород на 10...50 %, у лиственных на 20. ..70 %, и составляет в среднем 8±5 МПа при влажности 12 % и в 1,5...2 раза меньше при влажности 30 и более % (рис. 1.33). Эти показатели важны для разработки режимов резания и осо­бенно режимов сушки древесины.

Прочность древесины при статическом изгибе оценивается пределом прочности а_Из, МПа, рассчитываемом по максимальной нагрузке P_max, Н, приложенной в центре образца сечением b-h с пролётом между опорами L (рис. 1.34) по формуле

Д ля разных пород среднее значение предела прочности при статическом изгибе с продольной ориентацией волокон составляет 100±30 МПа при влажности 12 % и 60 ± 20 МПа при влажности свыше 30 %. Продольный изгиб имеет место во многих конструкциях мебели, в балках, стропилах, мостах, деталях кровли, лыжах и т.д. (рис. 1.35). Предел прочности при поперечном изгибе в 5...20 раз ниже, чем при продольном изгибе древеси­ны.

Прочность древесины при сдвиге (скалывании древесины вдоль во­локон. скалывании поперёк волокон и перерезании поперёк волокон) (рис. 1.36) устанавливают путём приложения к образцу двух равных и про­тивоположно направленных сил, создающих касательные напряжения в параллельной им плоскости, по которой и происходит разрушение (рис. 1.37).

Предел прочности при скалывании вдоль волокон древесины разных пород составляет в среднем 10 ± 4 МПа при влажности 12 % и 6±2 МПа при 30 %; при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, а при пере­резании поперёк волокон в 4 раза больше, чем при скалывании вдоль воло­кон.

Древесина часто работает на скалывание вдоль волокон, например, в соединениях стропильных ферм, реже – поперёк волокон, например, в шпонках и шпунтовых соединениях, и на перерезание поперёк волокон, например, в нагелях. Образцы для испытания древесины на раскалывание, способность удерживать гвозди и шурупы и местное смятение даны на рис. 1.38 – 1.40.

Ударная вязкость древесины характеризует её способность погло­щать работу при ударе без разрушения. Её определяют при испытаниях древесины на изгиб с помощью маятникового копра с начальной энергией, пропорциональной высоте его подъёма, и конечной энергией, пропорцио­нальной его взлёту после разрушения им образца (рис. 1.41). По затрачен­ной на излом образца сечением b х h см работе Q = Q_нач – Q_кон подсчи­тывают ударную вязкость. Древесина лиственных пород имеет ударную вязкость в 1,5...2,5 раза большую, чем хвойных. Средняя величина ударной вязкости для разных пород составляет 7 ± 4 при влажности 12 % и 6 ± 3 Дж/см² при 30 % и выше. Резко приложенная изгибающая нагрузка на дре­весину встречается при ударе судна о причал, при прыжках на лыжах, большой внезапной нагрузке на мост, стул, при падении штанги на помост и т.д.

Твёрдость древесины характеризует её способность сопротивляться вдавливанию тела из более твёрдого материала — индентора (пуансона) (рис. 1.42). Все основные отечественные породы по твёрдости торцовой поверхности древесины при нормализованной влажности W = 12 % делят на 3 группы: мягкие (твёрдость до 40 Н/мм²), твёрдые и очень твёрдые (свыше 80 Н/мм²: акация, граб, берёза железная, глоговина, кизил, самшит, железное дерево, тис, хмелеграб, фисташка). Границей деления наших ли­ственных пород на мягкие и твёрдые является величина твёрдости, равная 50 Н/мм². Микротвёрдость ранней древесины годичных колец лиственных пород в 1,5...2 раза, а хвойных в 5...6 раз меньше, чем поздней древесины. Твёрдость радиальной и тангенциальной поверхности на 30...40 % ниже торцевой. С твёрдостью древесины связаны её износостойкость на истира­ние (деревянные настилы, полы, паркет), обработка режущим инструмен­том, скрепление гвоздями (строительные блоки, тара). С увеличением влажности древесины её твёрдость уменьшается.

М еру жёсткости, т.е. способность деформироваться, древесины ха­рактеризует модуль упругости Е, МПа, представляющий собой коэффици­ент пропорциональности в законе Гука

При статических испытаниях определяют модули упругости при сжатии (растяжении) в трёх главных структурных направлениях, измеряя нагрузку и абсолютные деформации образца и подсчитывая напряжения и относительную деформацию ε. Модули упругости древесины сосны, (ели, берёзы) и дуба находятся в пределах: при сжатии E_L = 12300... 14600, Е_r = 700...1370, Е_t = 580...990 МПа; при растяжении E_L = 12300...14600, Е_r = 590...1180, E_t = 510...910 МПа; при статическом изгибе Е_изг = 12800... 15700 МПа. Аналогичным образом определяют модуль сдвига G по касательным напряжениям τ (МПа) и относительному сдвигу (относительным искажением прямого угла γ)

G = τ / γ. (1.38)

Для сосны, (ели, берёзы), дуба G_rε = 1230...1410, G_tε = 800...1000, G_rt = 50...470 МПа.

Допускаемые напряжения для древесины используют при расчёте де­ревянных конструкций на прочность. В реальных условиях прочность дре­весины может быть ниже, чем при испытаниях, из-за несовпадения направ­ления волокон, их наклона, изменения влажности, из-за наличия пороков (сучков, гнили...) в древесине, влияния колебаний температуры и т.д. По­этому для удовлетворительной работы деревянных конструкций необходим определённый запас прочности, выражаемый так называемым коэффициен­том запаса – отношением величины предела прочности к величине допус­каемых напряжений. Коэффициенты запаса для древесины устанавливают более высокие, чем для металла. Для сжатия и скалывания К_ЗАП = 3...5, при растяжении вдоль волокон К_ЗАП = 8...10. В приближённых расчётах модуль упругости принимают независимо от породы равным Е = 10000 МПа для изделий, эксплуатируемых в сухом помещении, и 7000 МПа для элементов, находящихся в увлажнённом состоянии. Для элементов из сосны и ели, дли­тельное время эксплуатируемых в сухом помещении при длительных на­грузках, принимают следующие расчётные значения допускаемых напряже­ний [σ]: изгиб и сжатие вдоль волокон – 7 МПа; перерезание поперёк воло­кон 4,5; смятие поперёк волокон 3,5; скалывание вдоль волокон 1...2; скалы­вание поперёк волокон 0,5 МПа = 5 кгс/см². Для древесины ясеня, дуба, клёна допускаемые напряжения могут быть выше в 1,5...2 раза.