Древесина и древесные материалы

Полное представление о строении древесины дают три разреза ствола— поперечный и два продольных (ради­альный и тангенциальный) В поперечном сечении ствола видно, что вся древесина разграничена кон­центрическими слоями, окружающими сердцевину,— это годичные кольца, представляющие собой ежегодный при­рост клеток древесины. Ширина годич­ных слоев зависит от возраста, породы, условий произрастания и положения в стволе. Также можно заметить, что вся масса древесины состоит из. двух частей: наружной, более светлой, на­зываемой заболонью, и внутренней, более темной, называемой ядром. Сердцевина— тонкостенные от­мершие клетки рыхлой первичной тка­ни, вокруг которых образуются годич­ные кольца, имеет вид круглого стерж­ня диаметром 2...5 мм. Сердцевина обладает малой прочностью и легко загнивает.

Качество лесоматериала, получае­мого из древесных стволов, зависит от однородности строения древесины. От этого же зависят и физико-механи­ческие свойства древесины.

В процессе роста дерева на некото­рых его участках однородность строе­ния оказывается нарушенной. В таких местах зарождаются пороки древе­сины, к которым относятся сучкова­тость, свилеватость, косослой, смоля­ные ходы (серницы) и трещины. Кроме того, возникают места поражения дре­весины биоразрушителями.

Характерные разрезы древесины: а — ствола; б — пиломатериала; /— поперечный (тор­цовый); 2— радиальный;

Схема строения древесины: /— кора; 2— луб; 3— годичные кольца; 4— сердцеви­на; 5— сердцевинные лучи; 6— серницы

Сучки — заросшие остатки отмер­ших ветвей дерева. Обходя сучок, во­локна древесины искривляются и от­клоняются от продольного направле­ния. Наличие сучков значительно сни­жает прочность древесины, особенно при растяжении и изгибе. Сучки явля­ются допустимыми, но строго контро­лируемыми пороками. Трещины пред­ставляют собой разрывы древесины вдоль волокон, могут образовываться как на растущем, так и на срублен­ном дереве и имеют различные при­чины образования. Свилеватость — волнистое и беспорядочное отклонение волокон древесины от продольной оси ствола. Косослой — винтообразное от­клонение волркон древесины от пря­мого направления ствола. Косослой практического влияния на прочность круглых лесоматериалов не оказыва­ет, но сильно понижает прочность пиломатериалов вследствие перерезы­вания волокон древесины при продоль­ной распиловке бревен.

Биоразрушение древесины происхо­дит в результате деятельности дереворазрушающих грибов и микроорганиз­мов (гниение) и деятельности насеко­мых (разрушение). Для жизнедея­тельности грибов и микроорганизмов необходимы влага и кислород. Поэтому гниение древесины может происходить только при влажности древесины 20...30% и при температуре от 2 до 40 °С, но споры многих грибов могут длительное время переносить и сушь и низкие температуры. Домовые грибы поражают не только деревянные кон­струкции, но и древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты, камышит и др. Способы предотвращения гниения имеют своей целью создание условий, неблагоприятных для дереворазрушающих грибов. Радикальный путь борьбы с гниением древесины — химический, т. е. введение в древесину антисепти­ков — веществ, ядовитых для грибов, но безвредных для людей и животных. Разрушителями древесины являются насекомые: жуки, рогохвосты, термиты и морские древоточцы, питающиеся тка­нями дерева. От этих разрушителей древесину защищают в основном хи­мическими способами — введением в древесину инсектицидов.

Физические свойства древесины. Плотность древесины колеблется в ши­роких пределах и зависит от ее породы и влажности.

Плотность (кг/м³) наиболее рас­пространенных пород древесины в воз­душно-сухом состоянии: сосна, ель, пихта, кедр — 500; лиственница — 650; дуб, бук, граб — 700. С увеличением влажности плотность древесины воз­растает.

Влажность древесины, т. е. масса со­держащейся в ней воды по отношению к массе сухой древесины, очень сильно влияет на ее физико-механические свойства. При изменении гигроскопи­ческой влажности древесины от нуля до предела насыщения волокон (30%), или наоборот, происходит либо увели­чение ее размеров (разбухание), либо уменьшение ее размеров (усушка). Вследствие неоднородности строения древесины ее усушка и разбухание в различных направлениях различны. Усушка вдоль волокон древесины, так мала (~0,1 %), что ею пренебрегают, в радиальном направлении она состав­ляет 3...6 %, а в тангенциальном -6... 12 %. Следствием разницы степени усушки древесины в тангенциальном и радиальном направлениях и неравно­мерности высыхания является появле­ние значительных внутренних напря­жений в древесине, приводящих к ко­роблению и растрескиванию пилома­териалов и бревен. Коробление древе­сины бывает продольным и поперечным. Изменение гигроскопической влаги от О до 30 % существенно влияет на прочность и жесткость древесины. Коэффициент линейного расширения древесины вдоль волокон а=(3,4...3,7) 10~⁶ в 7...10 раз меньше, чем поперек волокон, и в 2...3 раза меньше, чем у стали. Поэтому деревянные конструк­ции практически не подвержены напря­жениям, возникающим при изменении температуры окружающей среды; их не разделяют на температурные отсеки.

Химическая стойкость древесины. По сравнению с металлом и железо­бетоном древесина более стойка к химическим воздействиям и поэтому ре­комендуется к применению в зданиях и сооружениях с химически агрессив­ной средой.

Механические свойства древесины. По своему строению древесина явля­ется анизотропным материалом, ее ме­ханические свойства различны в раз­личных направлениях и зависят от угла между направлением усилия и направ­лением волокон. При совпадении на­правлений действующего усилия и во­локон прочность древесины макси­мальна, при действии усилия под уг­лом 90° — минимальна; при других углах занимает промежуточное поло­жение. Для расчета элементов дере­вянных конструкций необходимо знать показатели прочности древесины при различных видах напряженного со­стояния (растяжении, сжатии, изгибе, скалывании, смятии, перерезывании волокон). Особенностью древесины яв­ляется ползучесть, т. е. рост деформа­ций в течение длительного времени пос­ле приложения нагрузки. Примером проявления ползучести является прови­сание балок и ферм при длительной эксплуатации. Если ряд образцов древесины загрузить различной по ве­личине нагрузкой, то их разрушение произойдет в разное время — чем боль­ше нагрузка, тем скорей разрушается образец, а часть образцов никогда не разрушится. Эти испытания вы­являют длительную прочность древе­сины, тогда как в стандартных испы­таниях чистых образцов устанавливают предел ее прочности (временное сопро­тивление). Расчетные сопротивления сосны, ели и лиственницы приведены в приложении 7.

При расчете модуль упругости дре­весины вдоль волокон независимо от породы древесины принимается равным Е=10000 МПа. Упругие свойства древесины при направлении усилия по­перек волокон примерно в 20...25 раз меньше. Упругие свойства фанеры за­висят от направления волокон наруж­ных шпонов относительно действую­щего усилия. Например, упругие ха­рактеристики строительной фанеры (марки ФСФ) составляют: модуль уп­ругости Е = 9000 МП а; Е₄₅ = 2500МПа; модуль сдвига (G = 750 МПа; G₄₅ = = 300 МПа.

Сортамент лесоматериалов. Лесома­териалы делят на круглые и пиленые. Круглый лесоматериал — это нарезан­ные определенной длины, очищенные от сучков и коры стволы деревьев (бревна), которые используют в основ­ном при построечном изготовлении деревянных конструкций в круглом виде или в качестве сырья для полу­чения пиломатериалов. Бревна имеют следующие стандартные размеры:

Категория	Толщина (диаметр), см	Градация по толщине, см
Мелкие Средние Крупные	6.. .13 14. ..24 25 и выше	1 2 3

Длина бревен от 3,5 до 6,5 м с гра­дацией через 0,5 м. Бревна имеют ес­тественную усеченно коническую фор­му. Изменение толщины бревен по длине называется сбегом, который при­нимается в среднем 0,8 см на 1 м длины бревна. Толщина бревен определяется диаметром его тонкого конца.

Пиломатериалы получают путем продольной распиловки бревен на ле­сопильных рамах или круглопильных станках. Бревна распиливают на плас­тины, четвертины, лежни, брусья, брус­ки или доски. Брусья и доски бывают обрезными — со всеми пропиленными кромками и необрезными, у которых кромки не пропилены.

Пиломатериал, у которого отноше­ние ширины к высоте b/h≤2, можно разделить на: брусья (h = 130...250 мм; b = 130...230 мм) и бруски (h =100..160 мм; b=30...100 мм). Пилома­териал, у которого отношение ширины к толщине b/t > 2, называют досками. Доски бывают тонкие - t =16...32 мм и толстые t = 40... 100 мм.

Рекомендуемый сортамент хвойных пиломатериалов деревянных конструк­ций: толщина — 25, 32, 40, 44, 50. 60, 75, 100, 125, 150, 175, 200 мм, ширина— 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275 мм (последний размер не рекомен­дуется для толщин более 125 мм). Длина пиломатериала — до 6,5 м.

Древесные материалы. В строитель­ных конструкциях используют не толь­ко древесину в естественном виде, но и ряд изготовленных из нее мате­риалов: например, строительную фане­ру, древесно-стружечные и древесно­волокнистые плиты.

Строительная фанера — конструк­тивный, многослойный материал за­водского изготовления. Она состоит, как правило, из нечетного количества склеенных между собой тонких листов древесины (древесного шпона). Волок­на древесины в смежных, соприка­сающихся шпонах направлены пер­пендикулярно друг другу таким обра­зом, что в листах фанеры направление волокон в лицевых (наружных) слоях одно и то же. Длина листов фанеры измеряется - вдоль направления воло­кон лицевых шпонов. Фанера разли­чается по числу слоев, толщине, сорту и породе древесины. В строительных конструкциях применяют в основном фанеру из березового шпона и в мень­шем объеме — из шпона листвен­ницы.

По сравнению с цельной древеси­ной основными преимуществами фа­неры являются более равномерная прочность вдоль и поперек листа, боль­шее сопротивление растрескиванию и листовая форма, что является глав­ным преимуществом фанеры. Перпенди­кулярное расположение шпонов в фа­нере снижает усушку и разбухание при изменении влажности, а также уменьшает анизотропию свойств в плоскости листа. Влияние пороков дре­весины на прочность фанеры значи­тельно, ниже, чем у естественной дре­весины.

Как конструктивный материал фа­нера применяется повышенной водо­стойкости, получаемая склейкой шпонов водостойкими синтетическими клеями типа фенолформальдегидных. Фанера выпускается толщиной от 1,5 до 15 мм, длиной 2240, 2135, 1830, 1525 (основ­ная длина) и 1220 мм, шириной 1525, 1220 и 725 мм. Наибольшее применение находит фанера толщиной 8...12 мм. Для небольших ответственных кон­структивных строительных деталей мо­жет применяться бакелизированная фа­нера. Бакелизированная фанера изго­товляется из тонкого березового шпона, пропитанного и склеенного фенолфор-мальдегидным клеем. Она имеет такое же строение, как и строительная, но обладает повышенной водостбйкостью и прочностью (в 2...3 раза выше строи­тельной). Листы бакелизированной фа­неры выпускаются толщиной 5... 18 мм, длиной 1550...7700 мм и шириной 1200... 1500 мм.

Древесно-стружечные плиты — лис­товой древесный материал, получаемый путем горячего прессования древес­ных стружек, пропитанных термореак­тивными смолами (фенолформальде-гидными, мочевиноформальдегидными и др.); расход смол составляет 8...

12 % по массе. Плиты, имеющие плот­ность 650...1000 кг/м³, применяют как конструкционный и отделочный мате­риал. Размер плит: длина 1800... 3500 мм, ширина 1220...1750 мм, толщи­на 4...32 мм.

Древесно-волокнистые плиты — листовой материал, изготовленный пу­тем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из специально об­работанных древесных волокон, напол­нителей, синтетического термореак­тивного связующего и добавок (анти­септиков, антипиренов и др.). В строи­тельных конструкциях применяются твердые и сверхтвердые древесноволокнистые плиты. Твердые плиты имеют плотность не менее 850 кг/м³ и проч­ность при растяжении около 20 МПа, а сверхтвердые плиты имеют плот­ность 950 кг/м³ и прочность не менее 25 МПа. Древесноволокнистые плиты выпускаются толщиной 3...8 мм, дли­ной 1200...3600 мм, шириной 1000... 1800 мм.