Физико-механические свойства

Декоративные качества древесины обуславливаются ее цветом и текстурой (рисунком).

Цвет древесины – зрительное ощущение, соответствующее спектральному составу отраженного древесиной светового потока.

Основное вещество, из которого состоит древесина, - целлюлоза – почти белого цвета. Все многообразие цветовых оттенков древесины придают ей вещества, заключенные в полостях клеток или пропитывающие их стенки: красящие, дубильные, смолы, продукты окисления.

Интенсивность окраски возрастает с возрастом дерева и зависит от географической широты произрастания.

Древесина пород тропического пояса имеет очень яркую окраску.

Основные хвойные породы, произрастающие в России, имеют нижеследующие цветовые характеристики:

- древесина лиственницы имеет ядро красновато-бурого цвета, резко ограниченную узкую белую или слегка желтоватую заболонь, хорошо видимые годичные слои с четкой внутренней границей между ранней и поздней древесиной, малочисленные и мелкие смоляные ходы;

- древесина сосны имеет слегка розоватое ядро, которое со временем становится буровато-красноватым, широкую заболонь различных цветов (от желтоватого до янтарного и розового), хорошо видимые годичные слои с достаточной четкой границей между ранней и поздней древесиной, довольно крупные и многочисленные смоляные ходы;

- древесина ели безъядровая белая со слабым желтоватым или розоватым оттенком; годичные слои хорошо заметны, смоляные ходы мелкие и малочисленные;

- древесина пихты очень похожа по внешнему виду на древесину ели, от которой отличается отсутствием смоляных ходов.

Текстура древесины – естественный рисунок на тангенциальном и радиальном разрезах дерева, образованный годичными слоями и анатомическим строением. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетания отдельных элементов, тем богаче, оригинальнее ее структура.

У древесины хвойных пород, состоящей, в основном, из упорядоченных трахеид, текстура довольно однообразная, определяется преимущественно шириной годичных колец и разницей окраски ранней и поздней древесины.

В результате прозрачной отделки текстура проявляется четче. Лаковое покрытие увеличивает прозрачность поверхностных слоев, при этом повышается зрительное восприятие глубины текстуры.

Влажность древесины – это процентное содержание свободной воды в полостях и гигроскопической влаги в порах древесины (масса влаги по отношению к массе сухой древесины, очень сильно влияет на физико-механические свойства). Наибольшую влажность (до 200%) имеет сплавленная древесина, побывавшая в воде. Влажность до 100% имеет свежесрубленная древесина. В процессе естественной и искусственной сушки влажность древесины снижают до нормативной (25, 20, 15, 12 и 9%). Степень влажности значительно влияет на качество деревянных конструкций и ограничивается нормами в зависимости от условий эксплуатации и вида конструкций.

В процессе изменения влажности оболочки клеток древесины уменьшаются или увеличиваются в размерах. Происходит усушка или разбухание, которые тем больше, чем выше плотность древесины. Рост гигроскопической влажности от 0 до 30% (предел насыщения волокон) – разбухание древесины, в обратном случае – усушка (а также существенно снижается прочность и жесткость древесины).

Неоднородность строения древесины обуславливает различную усушку и разбухание по разным направлениям. Наибольшие усушка и разбухание происходят в тангенциальном направлении (параллельно годичным слоям) – 6…12%; поперек волокон (перпендикулярно годичным слоям – в радиальном направлении) – 3…6%; вдоль волокон – всего лишь до 0,3% и ею пренебрегают.

Разница в степени усушки в радиальном и тангенциальном направлениях и неравномерность высыхания ведет к значительным внутренним напряжениям и далее – к короблению и растрескиванию пиломатериалов и бревен.

Установлено, что линейная усушка вдоль волокон в радиальном и тангенциальном направлениях существенно различается, что приводит к возникновению остаточных напряжений растяжения в наружных и сжатия – во внутренних частях элемента поперек волокон, а в результате – к короблению и растрескиванию древесины.

Коробление бывает поперечным и продольным. Поперечное коробление проявляется в форме превращения квадратного сечения бруса в прямоугольное или ромбическое, а прямоугольного сечения доски – в желобчатое, изогнутое в сторону наружных годовых колец. Продольное коробление проявляется в форме выгиба досок по длине, а наличие наклона волокон по длине в доске приводит к тому, что она принимает винтообразную форму.

Плотность – широкий диапазон, зависит от породы и влажности.

Широко используется сосна, ель, пихта, кедр – 500 кг/м³ в воздушно-сухом состоянии, лиственница – 650 кг/м³, дуб, бук, граб – 700 кг/м³.

С увеличением влажности плотность растет.

Теплопроводность древесины, благодаря ее трубчатому ячеистому строению, особенно поперек волокон, небольшая (коэффициент теплопроводности 0,16 Вт/(м·К)), что является основой ее широкого применения в наружных ограждающих конструкциях.

Коэффициент температурного расширения (коэффициент линейного расширения) древесины вдоль волокон α = (3,4…3,7)·10^-6 и в 7…10 раз меньше, чем поперек волокон, и в 2…3 раза меньше, чем у стали. Поэтому в деревянных конструкциях практически не возникает напряжений при изменении температуры среды, что позволяет в деревянных зданиях обходиться без температурных швов.

Жесткость древесины относительно невелика ввиду ее трубчато-волокнистого строения. Жесткость – степень деформированности при действии нагрузок - существенно зависит от направления нагрузок по отношению к волокнам, их длительности и влажности древесины. Деформации древесины бывают упругими (от кратковременных нагрузок) и остаточными (от длительных нагрузок). Упругие деформации исчезают вскоре после снятия нагрузки, а остаточные остаются навсегда. Например, балки, прогнувшиеся во время длительной эксплуатации, не могут быть выпрямлены полностью при разгружении.

Жесткость древесины определяется модулем упругости Е. Для конструкций, эксплуатируемых в нормальных температурно-влажностных условияхмодуль упругости вдоль волокон для всех пород древесины Е = 10 000 МПа (10⁴ МПа).

Упругие свойства древесины при направлении усилия поперек волокон ~ в 20…25 раз меньше.

Упругие свойства фанеры зависят от направления волокон наружных шпонов относительно действующего усилия: Е = 9000 МПа, Е₄₅ = 2500 МПа, модуль сдвига G = 750 МПа, G₄₅ = 300 МПа.

Ползучесть – характерна для древесины – рост деформаций в течение длительного времени после приложения нагрузки. При длительной эксплуатации балки и фермы могут провисать.

Нормы регламентируют прочность древесины при различных видах напряженного состояния – при растяжении, сжатии, изгибе, скалывании, смятии, перерезывании волокон. Чем больше нагрузка, тем быстрее разрушается образец, т.е. различают длительную прочность и кратковременную при стандартных испытаниях, когда определяют временное сопротивление.

В нормах даны расчетные сопротивления (сосна, ель, лиственница).

Твердость выражается в нагрузке, требуемой для вдавливания стальной полусферы радиусом 5,64 мм. Для древесины сосны поперек волокон она равна только 1кН (100кг). Такая низкая твердость облегчает обработку древесины, но делает ее поверхность легко механически повреждаемой. Малая твердость и волокнистое строение дают возможность относительно легко забивать гвозди в древесину, которые прочно удерживаются раздвинутыми окружающими волокнами.

Механические свойства древесины характеризуются высокими показателями ее прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон и при поперечном изгибе. Предел прочности сосны при испытании на растяжение вдоль волокон равен около 100 МПа (кгс/см²), при поперечном изгибе – 75 МПа. Однако в реальных условиях не удается полностью использовать столь высокую прочность, так как на механические свойства древесины и, соответственно, на несущую способность деревянных конструкций оказывают отрицательное влияние многие факторы (пороки, длительность нагрузки и др.). Из-за влияния этих факторов расчетные сопротивления древесины принимаются в несколько раз меньшими пределов прочности, полученных при испытании образцов. Так, расчетное сопротивление древесины сосны 1 сорта растяжению вдоль волокон составляет 10 МПа, изгибу и сжатию – 14 МПа.

По строению древесина – анизотропный материал, т.е. механические свойства различны по разным направлениям и зависят от угла между направлением усилия и направлением волокон. Прочность максимальна при совпадении направлений и минимальна при угле 90˚.

Древесина имеет высокий показатель удельной прочности – отношение прочности к плотности материала. Это определяет древесину как очень эффективный конструкционный материал: при больших пролетах и малых нагрузках отношение масс равнозначных несущих конструкций из дерева, стали и железобетона может, соответственно, составлять 1:2:10.

Дата добавления: 2014-01-05