В местах врубок или соединений деревянных деталей с металлическими (под башмаками, болтами и др.) существенное практическое значение имеет прочность древесины при сжатии поперек волокон. Классическим примером работы древесины на сжатие поперек волокон служат также железнодорожные шпалы (места под рельсами). Различают три случая сжатия древесины поперек волокон:
1. Нагрузка распределена по всей поверхности сжимаемой детали.
2. Нагрузка приложена на части длины, но по всей ширине детали.
3. Нагрузка приложена на части длины и ширины детали.
Все эти случаи встречаются в практике: первый случай — при прессовании древесины, второй — при использовании шпал под рельсами, третий — при употреблении древесины под головки металлических креплений. При сжатии поперек волокон древесины разных пород наблюдаются два типа деформирования: однофазное, как и при сжатии вдоль волокон, и трехфазное, характеризуемое более сложной диаграммой.
таблица прочности древесины при сжатии вдоль волокон
| Порода | Предел прочности, кГ/см2, при влажности | Порода | Предел прочности, кГ/см2, при влажности | ||
| 15% | 30% и более | 15% | 30 % и более | ||
| Лиственница | 550 | 255 | Дуб | 510 | 310 |
| Сосна | 415 | 210 | Ясень | 500 | 325 |
| Ель | 390 | 195 | Орех грецкий | 485 | 240 |
| Кедр | 360 | 185 | Бук | 475 | 260 |
| Пихта сибирская | 345 | 175 | Береза | 465 | 225 |
| Акация белая | 665 | 415 | Вяз | 405 | 250 |
| Граб | 530 | 265 | Липа | 400 | 240 |
| Клен | 520 | 280 | Ольха | 385 | 235 |
| Груша | 515 | 265 | Осина | 375 | 190 |
| Тополь | 345 | 180 | |||
При однофазном деформировании на диаграмме хорошо выражен приблизительно прямолинейный участок, продолжающийся почти до достижения максимальной нагрузки, при которой образец древесины разрушается. При трехфазном деформировании процесс деформирования древесины при сжатии поперек волокон проходит три фазы: первая фаза характеризуется на диаграмме начальным, примерно прямолинейным участком, показывающим, что в этой стадии деформирования древесина условно подчиняется закону Гука, как и при однофазном деформировании; в конце этой фазы достигается условный предел пропорциональности; вторая фаза характеризуется на диаграмме почти горизонтальным или слабонаклонным криволинейным участком; переход из первой фазы во вторую более или менее резкий; третья фаза характеризуется на диаграмме прямолинейным участком с крутым подъемом; переход из второй фазы в третью в большинстве случаев постепенный.
По характеру деформирования при радиальном и тангенциальном сжатии породы можно подразделить на две группы: к первой группе относятся хвойные и кольцесосудистые лиственные породы (за исключением дуба), а ко второй — рассеяннососудистые лиственные породы. Древесина хвойных пород (сосна, ель) и колъцесосудистых лиственных пород (ясень, ильм) при радиальном сжатии дает диаграмму, характерную для трехфазного деформирования, а при тангенциальном сжатии — диаграмму однофазного деформирования.
Отмеченный характер деформирования древесины названных пород может быть объяснен следующим. При радиальном сжатии деформация первой фазы протекает в основном из-за сжатия ранней зоны годичных слоев, слабой в механическом отношении; первая фаза продолжается до тех пор, пока стенки элементов ранней зоны не потеряют устойчивости и не начнут сминаться. С потерей устойчивости этих элементов начинается вторая фаза, когда деформация протекает в основном в результате смятия элементов ранней зоны; это происходит при почти неизменной или мало возрастающей нагрузке. По мере вовлечения в деформацию элементов поздней зоны годичных слоев вторая фаза плавно переходит в третью. Третья фаза протекает главным образом за счет сжатия элементов поздней зоны, состоящей преимущественно из механических волокон, которые могут сминаться только при больших нагрузках.
При тангенциальном сжатии деформирование происходит с самого начала за счет элементов обеих зон годичного слоя, причем характер деформирования, естественно, определяется элементами поздней зоны. В конце деформирования наступает разрушение образца, яснее выраженное у древесины хвойных пород: образцы обычно выпучиваются в сторону выпуклости годичных слоев, которые при тангенциальном изгибе ведут себя, как кривые брусья при продольном изгибе.
Среди кольцесосудистых лиственных пород отмеченным закономерностям не подчиняется дуб, древесина которого при радиальном сжатии деформируется по однофазному типу, а при тангенциальном обнаруживает тенденцию к переходу на трехфазное деформирование. Это объясняется тем, что при радиальном сжатии сильное влияние на характер деформирования оказывают широкие сердцевинные лучи. При тангенциальном сжатии тенденция к переходу на трехфазное деформирование объясняется радиальной группировкой мелких сосудов в поздней зоне.
Древесина рассеяннососудистых лиственных пород (березы, осины, бука) обнаружила трехфазное деформирование как при радиальном, так и при тангенциальном сжатии, что, по-видимому, надо объяснить отсутствием заметной разницы между ранней и поздней зонами годичных слоев. У древесины граба наблюдается переходная форма деформирования (от трехфазного к однофазному); очевидно, в этом случае сказывается влияние ложношироких сердцевинных лучей.
Начало разрушения древесины можно наблюдать лишь при однофазном деформировании; при трехфазном деформировании древесина может уплотниться до четверти начальной высоты без видимых следов разрушения. По этой причине при испытаниях на сжатие поперек волокон ограничиваются определением напряжения при пределе пропорциональности по диаграмме сжатия, не доводя образец до разрушения.
Древесину испытывают двумя методами: при сжатии по всей поверхности образца и при сжатии на части длины, но по всей ширине (смятие). Для испытаний на сжатие поперек волокон изготовляют образец такой же формы и размеров, как и при сжатии вдоль волокон; годичные слои на торцах в этом образце должны быть параллельны одной паре противоположных граней и перпендикулярны другой паре. Образец располагают на опорной части машины боковой поверхностью и подвергают ступенчатой нагрузке по всей верхней поверхности со средней скоростью 100 ±20 кГ/мин. Деформацию древесины мягких пород измеряют индикатором с точностью 0,005 мм через каждые 20 кГ нагрузки и твердых пород — через 40 кГ; испытание продолжается до явного перехода предела пропорциональности. На основании парных отсчетов (нагрузка-деформация) вычерчивают диаграмму сжатия, на которой определяют с точностью до 5 кГ нагрузку при пределе пропорциональности как ординату точки перехода прямолинейного участка диаграммы в явно криволинейный. Условный предел прочности при сжатии поперек волокон подсчитывают путем деления найденной указанным способом нагрузки при пределе пропорциональности на площадь сжатия (произведение ширины образца на его длину).
Для испытаний на смятие применяют образец в форме брусочка квадратного сечения 20X20 мм, длиной 60 мм. Нагрузка на такой образец передается по всей ширине через стальную призму шириной 2 см, помещаемую посредине образца перпендикулярно длине; прилегающие к образцу ребра призмы имеют закругления радиусом 2 мм. В остальном порядок и условия испытания те же, что и по первому способу, но условный предел прочности подсчитывается путем деления нагрузки при пределе пропорциональности на площадь сжатия, равную 1,8 а, где а — ширина образца, 1,8 — средняя ширина нажимной поверхности призмы в сантиметрах.
Условный предел прочности при смятии поперек волокон получается на 20—25% выше, чем при сжатии; это объясняется дополнительным сопротивлением от изгиба волокон у ребер призмы. При третьем случае сжатия поперек волокон показатели условного предела прочности немного превышают показатели, полученные во втором случае в результате дополнительного сопротивления скалыванию поперек волокон у ребер штампа, идущих параллельно волокнам древесины.
Плотность древесины и её твердость (коэффициент Бринелля) у разных пород. Таблица
Плотность и твердость древесины разных пород зависят от многих внешних факторов:
- влажность;
- возраст;
- регион произрастания;
- пористость.
Чем меньше влаги содержит дерево, тем выше его плотность. Расчет данного показателя стандартный, и знаком всем из курса школьной физики. Это масса, разделенная на объем.
Твердость древесины
Твердость древесины определяют простым тестом по Бринеллю. Металлический шарик диаметром 0,1 см вдавливают в поверхность дерева. Образовавшуюся лунку измеряют. Глубина следа – основа расчета коэффициента Бринелля, который оценивает фактическую твердость древесины. Чем выше коэффициент, тем тверже и прочнее порода.
Рассчитать необходимый показатель самостоятельно не всегда возможно, поэтому при оценке прочностных характеристик стоит ориентироваться на плотность древесины, ее табличные значения.
Плотность древесины
Плотность древесины делят на три стандартные группы. Так как показатель прямо пропорционален твердости, то можно делать выводы по всем основным параметрам древесных пород. Различают деревья:
- малой плотности – ель, сосну, пихту, кедр, каштан;
- средней полости – березу, бук, орех, грушу;
- высокой плотности – граб, самшит, акацию, ясень.
Для удобства оценки и выбора плотность и твердость древесины разных пород сведены в таблицу. Это помогает сравнивать физико-механические характеристики дерева и подбирать породу, оптимальную для производственных или строительно-отделочных работ.
| Название породы | Плотность, кг/м3 | Твердость (коэффициент Бринелля) | Цвет | Свойства | фото |
| Акация | 650-1050 | 3,5-5,4 | заболонь светло-коричневая, ядро-красно-коричневое с черными прожилками | существует много видов акации, которые используются в производстве паркета, мебели, предметов обихода, музыкальных инструментов (гитар), ружейных прикладов | |
| Береза карельская | 630 | 3,1 | светло-желтоватый с более темными волнистыми переливами | карельская береза — совершенно уникальное дерево с рисунком напоминающим мрамор; множество волнистых переливов светло-желтых оттенков с темными полосками, одним словом, это надо видеть; паркет и мебель из карельской березы смотрятся восхитительно, но материал очень редкий и дорогой | |
| Береза черная | 670 | 3,1 | нежная цветовая палитра: темные лучи как русла рек врезаются в желтое золото текстуры | паркет из этого вида даевесины будет «бросаться» в глаза, что нужно учитывать при выборе интерьера; массив этого дерева не обладает высокой плотностью и твердостью, следовательно его не стоит использовать в помещениях с очень высокой нагрузкой | |
| Бук | 650 | 3,8 | светлый, с красноватым оттенком | за счет однородной структуры древесины буковый пол зрительно выглядит спокойным, теплым, даже мягким, хотя бук – твердое прочное дерево; бук хорошо обрабатывается режущим инструментом, хорошо шлифуется | |
| Вишня | 580 | 3,0 — 3,3 | розово-коричневый, иногда розово-серый | ровноволокнистая с относительно равномерной текстурой древесина; очень декоративная, имеет красивый теплый оттенок, но со времени темнеет; вишня существенно мягче дуба, хорошо поддается всем видам обработки | |
| Вяз(Карагач) | 560-630 | 3,8 | от серо-коричневого до темно-коричневого с красными прожилками | вяз имеет широкое распространение в Северной Америке и Европе; годичные кольца древесины ярко выражены, благодаря чему вяз считается одной из красивейших европейских пород; из вяза изготавливают мебель, предметы обихода, бумагу | |
| Граб | 750 | 3,5 | блестящий, жемчужно-белый (или цвета тающего снега),с тонкими песочными нитями | граб — родственник березы, имеет скрученные волокна (свилеватость), что мешает его обработке; годичные кольца выражены слабо; древесина тяжелая, вязкая | |
| Груша | 700-750 | средняя | имеет розоватый оттенок | текстура древесины тонкая, поры и рисунок годовых колец выражены слабо; сильная тенденция к короблению, поэтому сушка должна производиться достаточно медленно | |
| Дуб | 700 | 3,7-3,9 | от светло-коричневого до желтовато-коричневого с красивой текстурой на срезе | древесина широко используется для изготовления паркета и досчатых полов; прочная, долговечная, устойчивая к внешним воздействиям древесина; высыхает сравнительно медленно, при ускоренной сушке склонна к трещинообразованию; со временем дуб немного темнеет, что придает оттенок благородной старины длительное время находящемуся в эксплуатации | |
| Каштан | 600-720 | 3,1 | заболонь — светлая, ядро — темно-коричневое | каштан распространен по всей Европе; текстура древесины напоминает дуб, с четкими тонкими годичными кольцами; однако по физико-механическим свойствам каштан значительно уступает дубу | |
| Клен | 670 | 4,3 | белый, иногда со слегка желтоватым оттенком; со временем желтеет | клен — изысканный материал для внутренней отделки помещений, создающий подчеркивающе контрастный светлый фон для темной мебели; клен склонен к трещинообразованию, поэтому он требует тщательного соблюдению режима сушки | |
| Ольха | 420 — 640 | невысокая | золотисто-розовый | древесина мало деформируется при сушке, благодаря чему паркет из нее стабилен к перепадам влажности; ольха не слишком тверда, имеет тонкую структуру | |
| Орех | 600-650 | 5 | коричнево-серый, с более темными вкраплениями | порода очень декоративна, давно широко применяется для отделки интерьеров и изготовления мебели; орех сравнительно тверд, но достаточно легко обрабатывается; орех устойчив к деформации, трещинообразованию при сушке | |
| Ясень | 700 | 4,0-4,1 | светлый, слегка желтоватый, с хорошо выраженным характерным рисунком текстуры на срезе | ясень по твердости превосходит дуб, но при этом очень эластичен, поэтому часто используется для спортивных объектов; ясень хорошо поддается механической обработке; древесина склонна к трещинообразованию, поэтому сушка должна поводиться достаточно медленно и тщательно |
условный предел прочности при смятии поперек волокон
| Порода | Условный предел прочности, кГ/см2, при смятии | Порода | Условный предел прочности, кГ/см2. при смятии | ||
| радиальном | тангенциальном | радиальном | тангенциальном | ||
| Сосна | 34 | 51 | Карагач | 52 | 50 |
| Лиственница | 44 | 63 | Граб | 147 | 111 |
| Дуб | 76 | 56 | Бук | 78 | 52 |
| Ясень | 90 | 99 | Клен | 112 | 73 |
| Вяз | 51 | 39 | Береза | 65 | 41 |
| Ильм | 52 | 55 | Осина | 36 | 29 |
Древесина пород с широкими или очень многочисленными лучами (дуб, бук, клен, отчасти береза) характеризуется более высоким условным пределом прочности при радиальном смятии (примерно в 1,5 раза); для прочих лиственных пород (с узкими лучами) показатели условного предела прочности при смятии в обоих направлениях практически одинаковы или мало различаются.
Для древесины хвойных пород, наоборот, условный предел прочности при тангенциальном смятии в 1,5 раза выше, чем при радиальном вследствие резкой неоднородности в строении годичных слоев; при радиальном смятии деформируется главным образом более слабая, ранняя, древесина, а при тангенциальном сжатии нагрузка с самого начала воспринимается и поздней древесиной. По сравнению с пределом прочности при сжатии вдоль волокон условный предел прочности при смятии поперек волокон составляет в среднем около 1/8 (от 1/6 для твердых лиственных пород до 1/10 для хвойных и мягких лиственных пород).
От чего зависит твердость дерева?
На твердость древесины могут влиять несколько факторов. К ним относится влажность, содержание поздней древесины в годичных слоях, район произрастания, период заготовки.
Незначительное повышение влажности сказывается на торцовой твердости. Например, снижение влажности на 1% уменьшает твердость на 3%. Тоже происходит и с тангентальной и радиальной твердостью. Поздняя древесина наоборот повышает плотность дерева и делает его тверже.
Место произрастания влияет за счет разных климатических условий. Сосна, выросшая в сухом климате будет намного прочнее дерева, которое произрастала в болотистой местности. Время года, когда срубают древесину также влияет на свойства. Срубленное дерево в декабре будет тверже, чем в феврале.
прочность древесины при статическом изгибе
Для испытания на статический изгиб применяются образцы в форме бруска размерами 20X20X300 мм. Неподвижные опоры и ножи должны иметь закругление радиусом 15 мм; расстояние между центрами опор l = 24 см. После измерения посредине длины сечения (ширины b и высоты h) образец располагают на опорах и нагружают в двух точках на расстоянии 8 см от каждой опоры, равномерно со скоростью 700 ±150 кГ/мин на весь образец, который доводится до полного излома. По шкале машины отсчитывают максимальную Нагрузку Рmах с точностью 1 кГ.
Предел прочности при статическом изгибе существенно зависит от влажности. При изгибе в древесине возникают нормальные напряжения (на растяжение и сжатие вдоль волокон) и касательные напряжения (на скалывание вдоль волокон). Первые достигают максимума в крайних волокнах, наиболее удаленных от нейтральной плоскости, а вторые — в нейтральной зоне, которая теоретически должна проходить посредине высоты бруска.
В древесине из-за различий прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон нейтральная плоскость смещается в сторону растянутой зоны, что обусловливает неравенство нормальных напряжений (на растяжение и сжатие вдоль волокон). Деформация при изгибе внешне выражается прогибом образца и измеряется стрелой прогиба. Так как прочность древесины при сжатии вдоль волокон значительно меньше, чем прочность при растяжении, разрушение при изгибе начинается в зоне сжатия в виде складок, хотя на глаз оно редко заметно. Окончательное разрушение происходит в зоне растяжения и заключается в разрыве или отщепе крайних волокон и полном изломе образца. Излом древесины высокого качества волокнистый или защепистый, при низком качестве — раковистый, почти гладкий.
Защепистость излома более резко выражена в растянутой зоне образца; пучки волокон там крупнее и длиннее; в сжатой зоне, наоборот, эти пучки мелкие и короткие. В табл. приведены показатели предела прочности при статическом изгибе для древесины основных наших лесных пород.
Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть в среднем для разных пород принята равной около 900 кГ/см2. Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет примерно в 2 раза, а прочность при растяжении вдоль волокон — в 2,7 раза выше. Предел пропорциональности при статическом изгибе составляет в среднем 0,7 от предела прочности.
Упругость древесины
Упругостью древесины называется ее способность изменять (в известных пределах) свою форму под действием внешнего усилия и возвращаться к первоначальной форме после прекращения этого воздействия.
Упругость древесины — способность возвращаться к первоначальной форме после прекращения воздействия нагрузки
При кратковременной растягивающей нагрузке вдоль волокон древесина до определенного предела ведет себя практически совершенно упруго, в ней возникают преимущественно упругие деформации. То есть, деформация, вызванная растяжением, исчезает, как только снимается нагрузка.
Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности – модуль упругости Е – гипотетическое напряжение в Н/мм2, при котором длина испытываемого стержня увеличивается вдвое. Модуль упругости Е может колебаться в значительных пределах даже для одних и тех же пород древесины. Заметное влияние на него оказывает влажность.
Модуль упругости при растяжении и сжатии фактически одинаков, так же, как и при изгибе.
| Древесина | Расчетная величина Е вдоль волокон, Н/мм2 (кг/см2 ) |
| Европейская хвойная | 10000 (100000) |
| Дуб, бук | 12500 (125000) |
При действия усилия под углом к направлению волокон, по мере увеличения угла, модуль упругости Е уменьшается. При усилиях, действующих поперек волокон, деформации из-за трубчатого строения клеток значительно больше, чем при действии вдоль волокон, а значит, значительно уменьшается модуль упругости. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.
В строительной практике устанавливается средняя величина модуля упругости Е в направлении поперек волокон, которая для хвойных пород равна 300 МПа (Н/мм2), а для лиственных – 600 МПа (Н/мм2). Следовательно, модуль упругости вдоль волокон примерно в 20 раз больше, чем поперек.
Проектировщику модуль упругости Е древесины необходимо знать при расчете конструкций по второй группе предельных состояний — состояний, при которых нарушается нормальная эксплуатация сооружений, конструкций или исчерпывается ресурс их долговечности вследствие появления недопустимых деформаций (прогибов, трещин), колебаний и иных нарушений, требующих временной приостановки эксплуатации сооружения и выполнения его ремонта. То есть, вторая группа определяется непригодностью конструкций к нормальной эксплуатации.
Возможны случаи, когда конструкция не потеряла несущую способность, т.е. удовлетворяет требованиям первой группы предельных состояний, но ее деформации, например, прогибы таковы, что нарушают технологический процесс или нормальные условия нахождения людей в помещении.
При расчете по второй группе предельных состояний определяется максимальный прогиб fmax в элементе конструкции. Как правило, это однопролетная разрезная балка постоянного сечения. Максимальный прогиб зависит от того, чем нагружена балка (сосредоточенной силой Q, распределенной нагрузкой q или моментом M), и от того, какие опоры на концах балки (подвижный или неподвижный шарнир, жесткая заделка или свободный конец), то есть, от расчетной схемы балки.
Значение максимального прогиба fmax для каждого конкретно случая можно найти в любом справочнике по строительным конструкциям. Если под рукой нет такого справочника, то значение прогиба можно рассчитать по универсальной формуле, найдя предварительно нормативное значение максимального момента Мн:
fmax = Mнl2/ 10EJx
где:
Мн — нормативное значение максимального изгибающего момента;
l — пролет балки (расстояние между опорами);
Jx — момент инерции сечения, для прямоугольного сечения равен bh3/12;
Е — модуль упругости материала конструкции.
Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок.
Упругие свойства древесины поперек волокон используются главным образом в сочетании с другим свойством, с его вязкостью – способностью дерева держать гвозди, костыли, шурупы. И это ценное качество дерева не удается воспроизвести ни в одном из современных материалов. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдергиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон.
С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдергивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдергивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.
таблица прочности древесины при статическом изгибе
| Порода | Предел прочности, кГ/см2, при влажности | Порода | Предел прочности, кГ/см2, при влажности | ||
| 15 % | 30 % и выше | 15% | 30 % и выше | ||
| Лиственница | 985 | 615 | Орех грецкий | 975 | 605 |
| Сосна | 760 | 495 | Береза | 965 | 595 |
| Ель | 705 | 440 | Бук | 955 | 645 |
| Кедр | 045 | 425 | Дуб | 945 | 680 |
| Пихта сибирская | 605 | 405 | Вяз | 840 | 590 |
| Акация белая | 1390 | 975 | Липа | 775 | 540 |
| Граб | 1210 | 735 | Ольха | 710 | 495 |
| Ясень | 1085 | 745 | Осина | 685 | 455 |
| Клен | 1055 | 775 | Тополь | 610 | 405 |
| Груша | 975 | 635 | |||
Высокая прочность и легкость приложения усилия обусловливают широкое применение древесины для деталей, работающих на изгиб: всевозможные балки, стропила, фермы, мосты, ригели шахтных креплений, подмости, обрешетка и т. д. Различие между прочностью при радиальном и тангенциальном изгибе обнаруживается только у хвойных пород: предел прочности при тангенциальном изгибе может быть на 10—12% выше, чем при радиальном; у лиственных пород прочность при изгибе в обоих направлениях практически можно считать одинаковой (разница 2—4%). Кроме обычного поперечного изгиба, когда волокна древесины направлены вдоль оси: бруска, могут быть случаи, когда волокна направлены поперек оси бруска. В двух последних случаях предел прочности древесины ели и сосны составляет 1—5%, а бука — около 20% предела прочности при обычном изгибе.
прочность древесины при сдвиге
Надежность соединения элементов деревянных конструкций и изделий во многих случаях определяется способностью древесины сопротивляться действию касательных напряжений. Для того чтобы при механических испытаниях древесины установить предельные значения касательных напряжений, следовало бы создать условия чистого сдвига рабочей части образца. Однако это сопряжено со значительными трудностями в технике эксперимента. Вместе с тем для инженерных расчетов можно ограничиться результатами более простых испытаний на сдвиг. При этих испытаниях к образцу прикладываются две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости. Учитывая волокнистое строение древесины, различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперек волокон и перерезание древесины поперек волокон. Схемы действия сил при этих испытаниях, а также плоскости разрушения, которые задаются принудительно. Каждый вид испытаний на сдвиг может быть проведен не только в радиальном, как показано на схемах, но и в тангенциальном направлении.
прочность при скалывании вдоль волокон
Для испытаний на скалывание применяют образец. В каждом образце с двух сторон (по линии ожидаемого скалывания) с точностью до 0,1 мм измеряют толщину образца b и длину скалывания l; из каждой пары измерений вычисляется среднее.
Для испытания образец укрепляют в приборе. Прибор с образцом помещают на опорную платформу машины; нагружение проводится через стальной брусочек на верхний торец образца равномерно со средней скоростью 1250±250 кГ/мин. Образец доводят до разрушения. По шкале машины отсчитывают максимальную нагрузку Рmах. Значения пределов прочности при скалывании вдоль волокон, полученные при использовании прибора, оказываются завышенными в среднем на 15% в результате трения образца об опорную стенку и подвижную опору прибора. Древесина обладает невысокой прочностью при скалывании вдоль волокон; при этом древесина лиственных пород лучше сопротивляется скалыванию по сравнению с древесиной хвойных пород: прочность лиственных пород примерно в 1,5 раза выше. Более высокая прочность (на 10—30%) древесины лиственных пород наблюдается при тангенциальном скалывании по сравнению с радиальным; это превышение тем больше, чем лучше развиты в древесине сердцевинные лучи (бук). Для древесины хвойных пород прочность при скалывании в обоих случаях надо считать примерно одинаковой.По сравнению с прочностью при сжатии вдоль волокон прочность при скалывании составляет для древесины хвойных пород 1/5 — 1/7, а для древесины лиственных пород 1/4 — 1/5, в среднем для всех пород это отношение, по имеющимся данным, можно принять равным около 1/5. Несмотря на невысокую прочность, древесина довольно часто работает на скалывание, например при сопряжении стропильной ноги с затяжкой.
Прочность при скалывании вдоль волокон подвержена сильной изменчивости, что можно объяснить влиянием малейших отклонений от правильного расположения волокон (свилеватостью, мелкими искривлениями волокон и т. д.). В табл. приведены данные о прочности при скалывании вдоль волокон древесины основных лесных пород.
Пластичность древесины
Пластичностью древесины называется ее способность под воздействием продолжительных нагрузок, не разрушаясь, сохранять приданную ей измененную форму, давать остаточную деформацию. Древесина лиственных пород обладает большей пластичностью, чем древесина хвойных пород.
Пластичность древесины — способность сохранять приданную ей измененную форму под воздействием продолжительных нагрузок
Пластичность можно отнести как к положительным, так и к отрицательным свойствам. Она возрастает с повышением температуры и увеличением влажности.
Достаточно большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии, при обычных температурных условиях, используется в строительстве в качестве арочных гнутых конструкций, в мебельном производстве, при производстве перил для лестниц в частных домах.
Большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоятии используется при производстве перил для лестниц
Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Способность гнуться выше у лиственных кольце-сосудистых пород – дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых – бука. Хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу.
Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации, что позволяет зафиксировать новую форму детали под нагрузкой.
Отрицательные проявления пластичности дерева сказываются главным образом на старых балочных перекрытиях больших пролетов, дающих заметное на глаз провисание иногда лишь по прошествии десятков лет. У стропильных деревянных ферм, благополучно простоявших более 100 лет, вдруг начинает наблюдаться катастрофическое нарастание прогибов из-за пластических деформаций в перенапряженных частях.
В некоторых деревянных конструкциях пластические деформации являются причиной не только традиционного провисания, но и их разрушения.
Пластические деформации — причина не только провисания, но и разрушения деревянных стропил крыши
таблица прочность древесины при скалывании вдоль волокон
| Порода | Предел прочности, кГ/см2, при скалывании | Порода | Предел прочности, кГ/см2, при скалывании | ||||||
| радиальном при влажности | тангенциальном при влажности | радиальном при влажности | тангенциальном при влажности | ||||||
| 15% | 30% и выше | 15% | 30% и выше | 15% | 30%, и выше | 15% | 30 % и выше | ||
| Лиственница | 91 | 63 | 86 | 56 | Орех грецкий | 100 | 59 | 106 | 61 |
| Сосна | 69 | 43 | 67 | 45 | Дуб | 93 | 76 | 111 | 90 |
| Ель | 63 | 41 | 62 | 44 | Береза | 85 | 50 | 102 | 59 |
| Кедр | 60 | 40 | 64 | 43 | Вяз | 83 | 65 | 93 | 73 |
| Пихта сибирская | 58 | 45 | 59 | 42 | Груша | 81 | 56 | 126 | 81 |
| Граб | 141 | 88 | 177 | 106 | Липа | 78 | 56 | 74 | 50 |
| Ясень | 126 | 94 | 122 | 87 | Ольха | 74 | 52 | 91 | 63 |
| Клен | 113 | 84 | 129 | 90 | Осина | 57 | 36 | 78 | 50 |
| Бук | 106 | 70 | 132 | 89 | Тополь | 55 | 34 | 66 | 42 |
Испытания на скалывание поперек волокон проводятся так же, как и на скалывание вдоль волокон: образец укрепляют в таком же приборе, нагружают со скоростью 200 ±50 кГ/мин. Испытания на перерезание поперек волокон проводят в особом приборе, в котором образец по концам зажимают и посредине длины перерезают ножом плоской формы (схема испытании показана на рис. 60). Нагружение производится со скоростью 1000 ±200 кГ/мин на весь образец. Характеристика соотношения: если предел прочности при скалывании вдоль волокон принять за единицу, предел прочности при скалывании поперек волокон будет в 2 раза ниже, а при перерезании поперек волокон в 4 раза выше.
Прочность древесины при кручении
Прочность при кручении может быть характеризована величиной прочности при скалывании вдоль волокон. При кручении в материале возникают касательные напряжения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости, параллельной оси, и в плоскости, перпендикулярной оси закручиваемого стержня. Эти напряжения возрастают от центра, где они равны нулю, по направлению к периферии, где они достигают максимума.
Разрушение образца из древесины, ось которого совпадает с направлением волокон, происходит в виде продольной трещины от скалывания вдоль волокон, так как прочность древесины при скалывании в 4 раза меньше, чем при перерезании поперек волокон. Из сказанного ясно, что прочность древесины при кручении в значительной мере определяется прочностью при скалывании и, следовательно, не может быть высокой.
Мягкие породы лиственной древесины
По строению древесины среди лиственных пород выделяют кольцесосудистые и рассеяннососудистые. У всех пород с кольцесосудистым строением древесина обычно твердая, а вот у пород с рассеяннососудистым строением встречаются как мягкая, так и твердая древесина. Ольха, липа, осина и береза относятся к мягким сортам древесины.
Ольха
Известны два вида этого дерева – черная ольха и серая (у нас чаще встречается черная). Она получила свое название из-за цвета коры. Ольха любит влажную почву. Сразу после среза древесина имеет белую окраску, которая на воздухе приобретает красную окраску. Высохшая древесина ольхи имеет очень красивый и необычный розовый цвет. Не подвержена усушке, не трескается, очень мягкая, не портится от влаги.
Вагонка для бани из ольхи
Из нее делают фанеру, токарные изделия, сувениры. Масштабно используется для изготовления мебели и столярных изделий. Прекрасно зарекомендовала себя в качестве материала для отделки помещений бань. Используется и в тарном производстве.
При жизни дерево очень сильно подвержено загниванию центральной части ствола, что является недостатком этого вида древесины.
Липа
Липа имеет легкую и мягкую древесину, которая не растрескивается, не коробится, гнется и легко режется. Именно поэтому из липы часто вырезают различную посуду, модели для последующей отливки, делают чертежные доски, упаковочную тару, карандаши и многое другое.
Вагонка из мягкой древесины липы
предел прочности при кручении
| Порода | Предел прочности, кГ/см2 | Порода | Предел прочности, кГ/см2 |
| Сосна | 98 | Ясень | 198 |
| Лиственница | 139 | Бук | 171 |
| Береза | 135 | ||
| Ель | 110 | Береза желтая | 210 |
| Пихта кавказская | 92 | ||
| Липа | 115 | ||
| Дуб | 150 |
Древесина работает на кручение в валах, осях повозок и т.д.; в самолетах напряжение кручения испытывают лопасти винта — очень ответственной детали. Для пород, перечисленных в таблице, прочность при кручении в 1.5 раза выше прочности при скалывании. Наряду с описанным случаем кручения, когда ось закручивания совпадает с направлением волокон, может быть и случай кручения, когда волокна в образце расположены перпендикулярно оси закручивания. В этом случае образцы будут разрушаться уже от касательных напряжений в плоскости, перпендикулярной оси закручивания, т. е. от скалывания поперек волокон, и прочность поэтому будет ниже (для сосны и ели в 2 — 3 раза).
