1.3 Механические свойства древесины

Особенности древесины:

1. Древесина является анизотропным материалом.

Анизотропия является следст­вием особенностей анатомического строения древесины, в которой ее меха­нические и упругие свойства резко отличаются для направлений вдоль и поперек волокон. Прочность поздней древесины го­дичных колец в 3-4 раза выше прочности ранней древесины. Однако в пре­делах одного ствола содержание поздней древесины изменяется. Слои, ок­ружающие сердцевину, содержат мало поздней древесины, затем ее содер­жание увеличивается, а далее к коре уменьшается. Также меняется содержа­ние поздней древесины по высоте ствола от комеля к вершине, снижаясь в 1,5-2 раза.

Необходимо отметить, что теплофизические свойства, теплопро­водность, линейное тепловое расширение, электропроводность древесины также различны по трем направлениям структурной симметрии, т.е. древе­сина анизотропна также в отношении этих свойств.

Расчетная модель предполагает наличие трех взаимно перпендикуляр­ных плоскостей структурной симметрии. Такие материалы называют ортотропными. Предположение об ортотропности применительно к элементар­ному объему древесины является упрощенной схемой (рис. 1.3, а).

А)

Б)

R₀

r(y)

Рис. 1.3. Оси плоскости симметрии элементарного объёма древесины:

А – плоскости симметрии ортотропной анизотропии;

Б – схема цилиндрической анизотропии изотропного тела.

Механические свойства древесины различны в разных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлени­ем волокон (рис. 1.3, Б).

При совпадении направления усилия и волокон прочность древесины достигает максимального значения. Поэтому, при вы­ведении формул для определения расчетных сопротивлений под углом к во­локнам, древесина рассматривался как ортотропный материал.

Механические свойства различны в различных направлениях.

Прочность древесины достигает наибольшего значения при совпадении направления действия усилия с направлением волокон древесины.

При увеличении угла между направлением усилия и направлением волокон прочностные характеристики снижаются и достигают своего минимального значения при .

Деревянные конструкции изготовляют преимущественно из древесины хвойных пород, поэтому основные расчетные характеристики древесины в СНиП приводятся для сосны и ели. Для других хвойных и лиственных пород расчетные характеристики получают путем умножения соответсвующей расченой характеристики на дополнительный коэфиициент m_П, значение которого также регламентируется СНиП.

2. Древесина обладает реологическими свойствами, т.е. на прочность древесины большое влияние оказывает скорость приложения нагрузки или продолжительность ее действия.

Реология – это наука об изменении свойств вещества во времени под действием тех или иных факторов.

Пример. Рассмотрим три одинаковых деревянных образца, которые загружены и доведены до напряжений ,,и условимся, что.

Образцы разрушатся, но разрушатся через разные промежутки времени .

Чем больше уровень напряжений, тем скорее произойдет разрушение, но при определенном уровне напряжений разрушение образцов вообще не наступает, как бы долго не действовала нагрузка.

График носит асимптотический характер. Из графика видно, что предел прочности с увеличением длительности нагрузки падает, но не бесконечно.

Предел прочности стремится к некоторому постоянному значению, равному ординате асимптоты кривой.

Это ордината является пределом длительного сопротивления древесины.

Длительное сопротивление характеризует тот предельный уровень напряжений при котором образец не разрушается, как бы долго не действовала нагрузка.

Последим за изменением деформации образцов с течением времени по двум вариантам.

Деформации с течением времени затухают, стремясь к некоторому пределу

Деформации растут незначительно, затем происходит резкий рост деформации и разрушение образца

Из графиком видно что древесина обладает свойством ползучести.

Ползучесть – это рост деформации во времени без увеличения нагрузки. На графике это участки от т.А до т.В.

На практике это проявляется в виде провисания конструкции при действии длительно действующей нагрузки.

Древесина обладает свойством релаксации – изменением (снижением) уровня напряжений при неизменной деформации.

Предел прочности древесины определяют путём испытания стандартных образцов (по ГОСТ) выполненных из древесины без каких-либо пороков, т.е. чистой древесины.

Определяют прочность путём быстрых испытаний (кратковременных) на машинах или прессах.

Переход от предела прочности (временного) к длительному сопротивлению производится путём умножения на коэффициент длительности сопротивления.

На реальные конструкции нагрузки действуют одинаково, однако древесина сопротивляется по разному, это учитывается введением коэффициентов условия работы для конструкций, напряжение в которых от постоянных и длительно действующих нагрузок превышает 80% от суммарных напряжений. Расчетное сопротивление принимается с коэффициентом .

При учете кратковременных нагрузок (ветровой, монтаж, гололедной, сейсмической и т. д.) расчетное сопротивление принимается с коэффициентом > 1, максимальное значение