При изготовлении каких изделий используют свойство упругости древесины

Упругость древесины – способность к восстановлению исходной формы после прекращения действия нагрузки. Это механическая характеристика, присущая строительным материалам, в том числе, дереву. Характеристика математически выражается модулем упругости – соотношением между нормальными напряжениями и относительными деформациями.

Несмотря на развитие технологий, появления большого разнообразия строительных материалов, дерево было и остается тем материалом, которому отдают предпочтение многие профессиональные строители и заказчики. Дерево как строительный материал используется с незапамятных времен. Сейчас внешний вид, конструкция построек из него значительно изменились. Пролеты деревянных построек могут достигать 120 м! Проектируя подобные строения, обязательно определяют внутренние усилия от действия внешних сил, в том числе с учетом деформированного состояния. В программах для подобных расчетов одной из исходных характеристик является модуль упругости. Рассчитывая этот показатель, определяют, какую нагрузку будет испытывать доска или брус без необратимой деформации, то есть не ломаясь. Чем больше значение характеристики, тем жестче материал.

Параметры, от которых зависит упругость древесины

Модуль упругости древесины — параметр изменяющийся, на его значение влияют:

Влажность. Упругость древесины находится в обратной зависимости от влажности. То есть при высокой влажности дерева, его способность возвращаться к исходной форме будет минимальной.
Прямослойность. Если волокна расположены извилисто, беспорядочно, то способность восстанавливать форму у неё будет заметно ниже, чем у прямослойной.
Плотность. Дерево с низкой плотностью не так упруго, как более плотное.
Возраст дерева. Древесина старого дерева более упруга, чем молодого.
Природные особенности дерева. Хвойные деревья имеют однорядные мелкие сердцевинные лучи, поэтому их древесина более упругая, хотя удельный вес у таких пород не велик.
Возраст самой древесины. Более молодые слои ствола дерева называют заболонью, те, что располагаются ближе к центру, и, соответственно, старее – ядром. Заболонь более упругая, чем ядро.

Нормативная документация

Упругость строительных материалов, древесины в частности, в значительной мере влияет на уровень безопасности для людей зданий и сооружений, а так же сохранности материальных ценностей в них находящихся. Поэтому разрабатываются и утверждаются нормативные документы, определяющие методологию определения параметра упругости а так же расчетов и проектирования конструкций из клееной и цельной древесины.

СНиП II-25-80. Свод правил. Деревянные конструкции. Этот документ определяет методологию расчета и проектирования зданий, сооружений и конструкций из древесины (цельной и клееной). В том числе в СНиП определенно что конструкции из древесины должны:

соответствовать требованиям расчетов по деформациям и по несущей способности;
проектироваться с учетом условий эксплуатации, монтажа, перевозки;
быть долговечными, что обеспечивается конструктивными решениями, защитной обработкой.

ГОСТ 16483.9-73. Межгосударственный стандарт. Древесина. Методы определения модуля упругости при статическом изгибе. В данном ГОСТе:

установлены методы определения модуля упругости при статическом изгибе;
описан процесс определения данного показателя при статическом изгибе кондиционированных и не кондиционированных образцов;
даны образцы протоколов определения модулей упругости.

Модуль упругости дерева

Древесина считается упругой, если она после устранения действия силы изгибающей её, принимает исходную форму. У упругости есть предел. Он достигается, когда при изгибе деревянная детальили изделие сохранит конечную форму.Попросту говоря, предел упругости доски достигается в тот момент, когда она ломается. Свойства упругости и гибкости не идентичны. Гибкость – способность менять форму под действием внешних воздействий. Упругость – возможность возвращать утраченную форму. Дерево с высоким модулем необходимо для того, чтобы делать спортивные снаряды, мебель. Наиболее упруга древесина таких пород как ясень, бук, кария, лиственница.

Вместо термина упругость часто употребляют понятия жесткость или деформативность.

Чтобы описать способность к возвращению исходной формы, используют следующие физические величины:

модуль упругости Е;
коэффициент деформации µ;
модуль сдвига G.

В общем, можно говорить о том, что при приложении силы вдоль древесных волокон, модуль упругости в 20-25 раз выше, чем если та же сила действует поперек волокон. Если сила действует перпендикулярно направлению волокон и направлена радиально, то этот показатель на 20-50 % больше, чем при действии той же силы в тангенциальном направлении.

Ниже рассмотрим более подробно эти физические величины, определяющие способность дерева возвращать исходную форму при снятии деформирующего усилия.

Модуль упругости древесины основных пород

Модуль упругости в физике рассматривается как единое наименование комплекса физических величин, характеризующих способность твердого тела (в нашем случае – дерева) упруго деформироваться, если к нему будет приложена какая-то сила.

Модуль упругости древесины (Е) – соотношение между нормальными напряжениями и относительными деформациями. Он измеряется в Мпа либо в кГс/см2 (1Мпа=10.197 кГс/см2) Выделяют несколько видов:

вдоль волокон Еа.
поперек волокон (тангенциальный) Еt.
поперек волокон (радиальный) Еr.
модуль упругости при изгибе Еизг.

Таблица. Сведения по наиболее часто используемым породам.*

Коэффициенты поперечной деформации основных пород дерева

Во время приложения нагрузки, кроме продольной деформации вдоль волокон так же появляется поперечная при изгибе.

Коэффициенты этого типа деформации приведены в таблице:

Модуль сдвига основных пород древесины

Модуль сдвига – коэффициент пропорциональности между касательными напряжениями и угловыми деформациями древесины.

Данные по модулю сдвига для основных пород приведены ниже:

Пластичность древесины

Дерево способно под давлением менять без разрушения свою форму, сохранять её после того, как давление будет снято. Такое свойство называется пластичностью. Пластичность зависит от тех же критериев, что упругость, только в обратном направлении. Например, чем выше влажность древесины, тем она более пластична, при этом менее упруга.

Пластичность дерева повышают с помощью специальной обработки. Пропаривая или проваривая его в воде, получаем более пластичный материал, которую затем используют для изготовления мебели, полозьев саней. Наивысшая пластичность у бука, вяза, ясеня, дуба. Это свойство обусловлено строением проводящей системы данных пород. У бука, например, много крупных сердцевинных лучей, изгибающих волокна древесины. Сосуды, расположенные группами в годовых слоях вяза, дуба, ясеня, сильно сдавлены более плотной поздней древесиной, поэтому пластичность этих пород высока.

Коэффициент Пуассона

При приложении нагрузки к стержню, кроме продольной деформации ε, появляется поперечная деформация ε1. Коэффициентом поперечной деформации, или коэффициентом Пуассона μ, называется отношение ε1 к ε.

Коэффициент Пуассона древесины определяют путем сжатия прямоугольных призматических образцов сечением 40х40 мм, высотой 150 мм. Чтобы измерить деформацию на образце устанавливается шесть тензометров с базой 20 мм, передаточным числом около 1000. Из этих тензометров два регистрируют продольную деформацию (деформация в направлении действия силы сжатия), остальные четыре измеряют поперечные деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Каждый из образцов шестикратно нагружают до 400 и 1600 кг при сжатии вдоль волокон, до 40 и 160 кг при сжатии поперек волокон.

Для древесины сосны, ели коэффициент Пуассона при усилии, направленном вдоль волокон v0=0,5.

Модуль упругости фанеры

Фанера – строительный материал, производимый путем склеивания нескольких слоев деревянного шпона. Она очень популяренна, и неспроста. Кроме эстетической ценности, фанера обладает рядом значений параметров, выделяющих её в ряду материалов для строительства. Проходя обработку, фанера приобретает прочность, упругость, влагостойкость.

На характеристики фанеры влияют многие факторы:

порода дерева, используемого для шпона;
исходное состояние сырья;
влажность самой фанеры;
тип и состав клея, которым соединяются слои шпона;
технология предварительной обработки.

Для фанеры так же рассчитывается модуль упругости и все соответствующие коэффициенты.

Важно то, что модуль упругости фанеры и другие показатели выше, чем у древесины, из которой она была изготовлена.

Модуль упругости древесины рассчитывают обязательно перед постройкой кровельных, стропильных систем. Знание внутренних усилий, появляющихся в строительных материалах, важно для безопасности, долговечности постройки. Способность возвращать утраченную форму значимо при выборе материала рукояток ударных инструментов, оружейных лож.

Источник

Еще с древнейших времен, человек не мог обходиться без древесины. Не растратила она своего значения и на сегодняшний день, невзирая на то, что пришло на смену много современных и передовых материалов, которые вытеснили лесоматериалы из некоторых сфер ее применения. Однако, появились другие направления и сферы применения, новые технологии, где изделия из дерева просто незаменимы.

Основные свойства древесины

Как и многие стройматериалы, древесный материал отличается по характерным свойствам и особенностям. Свойства могут быть как позитивными, так и негативными показателями. Эти свойства обусловлены породой лесоматериалов.

Свойства древесины подразделяется на:

Плотность.
Твёрдость.
Влажность.
Усыхание.
Набухание.
Коробление.
Раскалываемость.
Износоустойчивость.
Изгибистость.
Деформирование.
Теплопроводность.

Никакой строительный материал не располагает такими технологическими и декоративными свойствами, как изделия из дерева. Она податлива при обработке. Прочный и лёгкий материал, долгое время сохраняющий тепло и нежный запах. Но, как и всякий материал она имеет положительные и отрицательные свойства.

Свойства, определяющие общий вид древесины

К таким свойствам относятся:

Цвет. На цвет материала влияет порода, возраст дерева, условия вегетации, существование пороков.
Блеск. На блеск влияет плотность, число и параметры лучей отходящих от сердцевины, а также вида плоскости разреза.
Запах. Зависит от наличия смолы и органических веществ ароматического ряда.
Текстура. Природный рисунок, получающийся на разрезе путём пересечения волокон, годовых слоев и центральных лучей.

Строение древесины

Большая часть, до 90 % объема дерева, это — ствол, в состав которого входят:

кора. Её свойство — предохранять ствол от перепадов температуры, вторжения грибковых бактерий, испаряемости влаги и механических воздействий;
камбий. Неширокая прослойка живых клеток в виде кольца, имеющих способность к делению и приросту;
древесина. Составляющая ствола, по которой поступает влага от корней к кроне.

Технологические свойства древесины

Технические свойства характеризуют следующие показатели:

способность задерживать металлический крепеж. Чем плотнее древесный материал, тем прочнее в ней удерживаются крепежные детали;
износоустойчивость. Это — способность оказывать сопротивление разрушениям во время механического взаимодействия. Повышенной износоустойчивостью обладают торцы. Повышенная твердость и плотность позволяет древесине подвергаться незначительному износу.
раскалываемость. Свойство древесины под механическим воздействием делиться на части продольно волокнам. Сопротивление растрескиванию повышается с увеличением вязкости. Это свойство имеет положительный показатель. Некоторые сорта можно заготавливать только методом раскалывания. У раскалываемости есть и негативное свойство: при использовании металлических креплений, могут образовываться расколы.

Плотность древесины

Соразмерность веса пиломатериала к его объёму и есть плотность. Устанавливается плотность в кг/м3, и напрямую подчиняется влажности.

Плотность подразделяют на:

малую;
среднюю;
высокую плотность.

Твёрдость древесины

На твёрдость влияют следующие показатели:

порода;
условия произрастания дерева. Один и тот же вид породы может быть разной твердости, если деревья росли в различных климатических условиях;
увлажненность лесоматериалов.

Твердость у одного ствола может быть разной: в зависимости от того, какой применяется распил. Торцы твёрже чем тангентальная и радиальная поверхность.

Износостойкость и гибкость древесины

износостойкость — свойство оказывать сопротивление истиранию материала во время трения. Истирание с боков бывает больше чем с торцов. Наиболее твёрдая и плотная древесина менее всего подвергается изнашиванию. Повышенная влажность — хороший помощник износу.
гибкость — одно из свойств деревянных заготовок — изменять форму под силовым воздействием извне. Загибание основано на возможности древесины поддаваться деформации под воздействием гибочного оборудования. Процедура загибания проходит легче и быстрее, когда древесину предварительно увлажняют и нагревают;
ударная вязкость — свойство поглощения удара без дефляции.

Тепловые свойства

К таким свойствам относятся следующие показатели:

тепловая мощность — это способность древесного материала накапливать тепло;
теплопроводность — транспозиция тепловой энергии молекулами вещества;
температуропроводность — равное распределение температуры по всему объёму;
термическое расширение— изменение линейных размеров и конфигурации при изменении температуры.

Влажность древесины

Влажность — это процентное соотношение количества влаги в определённом объёме древесного материала, к такому же объёму совершенно сухого материала. Свойства по влажности у каждой породы индивидуальные.

Влажность подразделённая по степеням:

мокрая степень. Продолжительное время содержащиеся в воде лесоматериалы;
свежераспиленная;
воздушно-высушенная;
базовая степень.

Усушка, разбухание и коробление пиломатериала

Усушка. Снижение параметров при устранении влаги. Полная усушка, для дальнейшей обработки древесного материала должна быть в диапазоне от 11 до 17 %. Процент усушки обязательно учитывается при изготовлении пиломатериалов.
Коробление. Преобразование формы при высушивании, складировании и опиловке. В основном, коробление возникает из-за разной величины усушки и структурных направлениях.
Разбухание. Это — свойство прибавления размеров при увеличении влаги. Разбухание протекает до особого предела поглощаемости влаги.

Разбухание — одно из негативных свойств древесины. Хотя в отдельных случаях разбухание играет существенную роль: создает уплотнение соединениям в лодках, бочонках и кадках.

Физические свойства древесины

1. Плотность.

Абсолютное значение, измеряемое соотношением веса к объему. Плотность напрямую зависит от разновидности породы и количества влаги. Чем меньше влажность, тем ниже плотность.

2. Теплопроводность.

Свойство древесины пропускать тепло от корней до кроны. На качество теплопроводности влияют такие факторы:

температура воздуха;
внутренняя влажность;
насыщенность;
количество теплоты.

3. Звукопроводность.

Особенное свойство лесоматериалов — пропускать звук. Звукопроницаемость у древесины повыше, чем у некоторых материалов. Этот показатель необходимо принимать во внимание в строительстве, где крайне важна звукоизоляция стен и столярных изделий.

4. Электропроводность.

Положительное свойство пиломатериалов пропускать ток. На электропроводность влияют влажность, порода, направление волокон и температура. Сухая древесина не пропускает электроток, что даёт возможность использовать ее как изоляционный материал.

5. Влажность.

Степень увлажненности пиломатериалов, это — показатель качества и износостойкости изделий из древесины. Отличительное свойство: чем меньше содержание влажности, тем дольше она не подвергается гниению.

6. Коррозионная стойкость.

Отсутствие коррозии — немаловажное свойство у изделий, изготовленных из древесины. Особенно это касается тех изделий, которые подвергаются эксплуатации на открытом воздухе.

7. Цвет, блеск, запах и текстура.

Данные свойства позволяют зрительно определять породу древесины и имеют чисто художественное значение.

Механические свойства древесины

Важные свойства, влияющие на устойчивость и надёжность строений и деревянных изделий.

Прочность.

Сопротивление древесных материалов к разрушениям под воздействием механических усилий.

Твердость.

Это свойство зависит от сопротивления древесного материала к проникновению твердых тел. Чем тверже древесина, тем сложнее она поддаётся обработке.

Ударная вязкость.

Поглощение ударов без нарушений целостности.

Трещины

Это продольные разрывы, возникающие под воздействием внутренних напряжений.

Трещины подразделяют по следующим свойствам:

Метиковые.

Радиальные трещины внутри ствола дерева. Наблюдаются у всех пород, особенно этим страдает перестоялый древостой. Трещины появляются по мере роста дерева и представляют прерывающиеся разломы по длине сортамента.

Отлупные.

Отслаивание древесного волокна внутри ядра и отслоение спелой древесины у растущего дерева. Отлупные трещины можно встретить у каждой породы. До конца не установлены причины возникновения таких трещин.

Морозные.

Продольные разрывы извне на стволе молодого дерева. В основном, морозные трещины преобладают у лиственных пород и очень редко у хвойных. Трещины появляются при резких перепадах зимних температур.

Трещины усушки.

Появляются под воздействием неравномерной усушки и выявляются при распиловке сортамента.

Трещины — основная причина понижения прочности лесоматериалов, используемых в строительстве. Кроме того, трещины содействуют вторжению грибных заболеваний и попаданию влаги внутрь материала.

Пороки формы ствола

Стволы деревьев также обладают определёнными пороками:

Сбежистость.

Ствол дерева, во время роста, постепенно уменьшается в диаметре от нижней части к кроне. Когда, при каждом метре роста, диаметр ствола убывать больше чем на 1 см, то это — сбежистость.

Лиственные породы больше подвержены такому пороку нежели хвойные породы Сбежистость больше всего проявляется у деревьев растущих на свободе или в мелколесье. Чем гуще лес, тем поменьше на деревьях сбежистости. Данный порок повышает величину отходов и снижает прочность.

Закомелистость.

Если диаметр ствола в нижней части дерева превышает диаметр того же ствола на высоте не менее метра в 1,2 раза, то это называется закомелистостью.

Овальность.

Ствол дерева имеет форму эллипса, а максимальный диаметр больше минимального в 1,5 раза. Овальность вызывает у дерева крен и изменяет строения древесины.

Наросты.

Локальное утолщение появляется в результате негативного воздействия:

грибковых заболеваний;
микобактерий;
вирусных инфекций;
химических факторов;
радиоактивности;
различных повреждений.
Кривизна.

Все древесные породы страдают искривлением стволов. Простая кривизна имеет один изгиб, сложная — несколько изгибов ствола.

Кривизна относится к отрицательным свойствам древесины.

Пороки строения древесины

Пороки подразделяются на группы. В группе находятся определённые виды пороков.

Искаженное месторасположение древесного волокна и годичных слоёв

Наклон волокон.

Наклонное положение волокон значительно понижает прочность древесины, усиливает усушку сортамента вдоль и является поводом появления винтовой искривлённости и закручивания пиломатериалов. Наклон волокон существенно усложняет обработку пиломатериала и уменьшает потенциал древесины к изгибу.

Свилеватость.

Это волнистое и хаотичное распределение волокон.

Свилеватость уменьшает прочность на растяжение, повышает ударную вязкость и противодействие раскалыванию. Механическое воздействие на свилеватый материал очень затруднён. Однако, у этого порока есть и свои положительные свойства — красивая текстура.

Завиток.

Искажение годичных слоёв около сучков и наростов.

Реактивная древесина.

В склонённых и кривых стволах формируется редкостная древесина, которая получила название реактивной. Этот изъян происходит под воздействием силы тяжести, которая вызывает переназначение веществ и подавляет процесс роста.

Крен.

Крен ухудшает уровень качества древесного сырья, используемого в целлюлозно-бумажной промышленности.

Тяговая древесина.

Тяговая древесина усложняет обработку материалов. Во время обработки, образуются мохнатые и замшелые поверхности, которые, отделившись во время резания, заполняют углубление и препятствуют вращению пил.

Сучки

Сучки — основной, сорт определяющий, порок лесоматериалов. Сучки классифицируют как значительный порок, снижающий стоимость древесного материала.

К сучкам относят оставшиеся основания ветвей. Неважно в каких количествах, но сучки всегда находятся в лесоматериалах. Количество сучков, находящихся в стволе, учитывая их состояние, размеры и распределение по длине, зависят от древесной породы, условий место произрастания, климата, густоты лесонасаждения и прочих факторов.

По уровню зарастания, сучки делятся на два типа:

открытые;
заросшие.

Нерегулярные анатомические образования

Ложное ядро.

Тёмная внутренняя часть ствола дерева — это ложное ядро. Кромка ложного ядра не соприкасается с границей годичных колец. От заболони ядро отгорожено тёмной каёмкой.

Источником возникновения порока являются:

возрастное разделение тканей;
реакция на ранение;
влияние грибковых заболеваний;
воздействие холодной погоды.

Ложное ядро портит наружный вид изделия и уменьшает возможность лёгкого загиба. Ядро устойчиво к гниению.

Внутренняя заболонь.

В районе сердцевины может сформироваться несколько прилегающих годичных слоёв, схожих с заболонью по цвету и иным свойствам. Внутренняя заболонь появляется из-за нарушения естественной деятельности клеток, вызванное морозами.

Пятнистость.

У некоторых деревьев из-за повреждения структуры, влияния химических факторов, грибковых заболеваний и засилья насекомых появляются небольшие темноокрашенные зоны на древесине.

Пятнистость особого воздействия на какие — либо свойства не оказывает.

Сердцевина.

В круглых лесоматериалах существование сердцевины — обычное свойство и явление неотвратимое. Сердцевина значительно снижает прочность деталей с небольшим сечением. В крупных распиленных заготовках нахождение сердцевины нежелательный фактор. Сердцевина быстро поддаётся загниванию.

Смещенная сердцевина.

Это — беспорядочное месторасположение сердцевины, препятствующее массовому использованию материалов. Данное свойство относится к отрицательным показателям.

Двойная сердцевина.

В раскроенном материале можно обнаружить две сердцевины. Каждая сердцевина обладает своими личными годичными слоями. По краю ствола обе сердцевины окружены единой системой годичных слоёв.

Выпиленные заготовки с двойной сердцевиной, чаще и посильнее коробятся, кроме того могут возникнуть трещины.

Пасынок и глазки.
1. Пасынок. Это — плохо растущая или омертвевшая двойная вершина ствола. Пасынок разрушает равномерность волокон древесины, а в пиломатериалах — целостность.
2. Глазки. Разделяют глазки на разбросанные — единичные и групповые — от 3 и более глазков. Глазки уменьшают прочность на изгиб и ударную вязкость.

Раны

Сухобокость.

Это — внешнее частичное омертвение ствола. Данный порок появляется в результате содранной коры, солнечного ожога или перегревания коры. Сухобокость нарушает форму деревьев, образует завитушки, ухудшает цельность древесины и понижает выход.

Прорость.

Это — заживающая или уже зажившая рана.

Прорость разрушает цельность древесины, что влечёт за собой кривизну и искажение годичных слоёв.

Рак.

Рана, появившаяся в результате грибковых заболеваний и присутствия бактерий.

При раке меняется правильная форма деревьев.

Необычные отложения в древесине

Засмолок.

Это — щедро напитанный смолой участок древесины, образованный после ранения хвойного дерева.

Засмолок имеет незначительную влагопроницаемость и лёгкое впитывание воды. Положительным свойством такой древесины является увеличенная стойкость к гнили, но при этом — плохо поддаётся отделке и приклеиванию.

Кармашек.

Это — углубление в глубине годичных слоёв, наполненное смолой.

Стекающая из полости смола затрудняет отделку и склейку заготовок. Такое свойство лесоматериалов считается отрицательным.

Водослой.

Водослойная древесина различается от здоровой увеличенной усушкой и разбуханием. Свойство характеризуется как отрицательное.

Диэлектрические свойства древесины

Древесина может выражать диэлектрические свойства, характеризующиеся двумя признаками.

Первый – магнитная пропускаемость.

Второй – поглощение релаксации дипольной поляризации и превращение её в тепло.

Источник