Основные факторы, влияющие на механические свойства древесины

Основой для определения механических свойств древесины служат соответствующие испытания стандартных образцов, выполняемых из чис­той, т.е. без всяких пороков, древесины (рис.1.7.). При оценке результатов испытаний и при расчетах деревянных конструкций необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на механические свойства древесины, основными из которых являются следующие:

Анизотропия древесины. В зависимости от размера деревянного элемента, главным образом по причине учета в них кривизны годичных сло­ев или пренебрежения этой кривизной, древесине приписывают схему либо ортогональной, либо трансверсальной изотропии. В последнем случае ос­новное различие механических свойств имеет место в 2-х направлениях: вдоль волокон древесины и поперек волокон древесины.

При совпадении направления силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под углом 90° к волокнам;

Реологические свойства древесины. Механические свойства дре­весины, являющейся природным полимером, изучаются на основе реологии

- науки об изменении свойств веществ во времени под действием тех или иных факторов, в данном случае нагрузок. Известно, что при быстром, кратковременном действии нагрузок древесина сохраняет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформациям. При дли­тельном действии неизменной нагрузки деформации во времени сущест­венно увеличиваются. Если задать древесине неизменную во времени де­формацию, например, определенный прогиб изгибаемому элементу, то на­пряжения в нем с течением времени уменьшаются - релаксируют, хотя де­формация не меняется.

Реологические свойства древесины учитываются при назначении расчетных сопротивлений. Под действием постоянной нагрузки непосред­ственно после ее приложения в древесине появляются упругие деформа­ции, а с течением времени развиваются эластические и остаточные дефор­мации. Упругие и эластические деформации обратимы - они исчезают по­сле снятия нагрузки в течение малого (упругие деформации) или более или менее длительного (эластические деформации) промежутка времени. Остаточные деформации, являющиеся необратимой частью общих дефор­маций, остаются и после снятия нагрузки.

Рис. 1.7. Стандартные образцы для определения временных сопротивлений

(предела прочности) древесины

а - растяжение вдоль волокон; 6 - поперечный изгиб; в - сжатие вдоль волокон; г - скалывание вдоль волокон; д - смятие поперек волокон

На прочность древесины значительно влияют скорость приложе­ния нагрузки или продолжительность ее действия. Если серию одинако­вых деревянных образцов загрузить, например, на изгиб, различной по значению постоянной нагрузкой, то разрушение их произойдет через раз­ные промежутки времени - чем больше нагрузка (напряжение), тем скорее разрушится образец. При этом может оказаться, что часть образцов вооб­ще не разрушится, как бы долго нагрузка ни действовала. Представив ре­зультаты таких испытаний графически в координатах «предел прочности -время до разрушения» (рис.1.8.), получим асимптотическую кривую, по которой можно определить, сколько времени пройдет от начала нагруже-ния до разрушения образца, находящегося под тем или иным напряжени­ем. Асимптотический характер кривой показывает, что предел прочности с увеличением длительности приложения нагрузки хотя и падает, но не безгранично - он стремится к некоторому постоянному значению равному ординате асимптоты кривой. Кривая на рис. 1.8. называется кривой длительного сопротивления древесины, а ордината - пределом длительного сопротивления древесины; характеризует то предельное (максимальное) значение напряжения (или нагрузки), под действием которого образец не разрушится, как бы долго нагрузка ни действовала.

деформаций на участке в - г (рис. 1.9.,б) наступает развитие деформаций с постоянной скоростью на участке г - д. Далее, в момент времени начинается ускоренный рост деформаций, приводящий к разрушению материала.

Как видно из (рис. 1.9.), древесина обладает свойством последействия (ползучести), т.е. роста деформаций в течение некоторого времени после приложения нагрузки. Примером последействия на практике может служить провисание балок, находящихся долгое время под эксплуатационной нагрузкой.

а) б)

Рис. 1.8. Кривая длительного сопротивления древесины

Асимптота на кривой длительного сопротивления делит весь диа­пазон изменения нагрузки на две области - область ниже асимптоты с

в которой разрушение образца не произойдет, как бы долго ни действовала нагрузка, и область выше асимптоты где разрушение с течением времени неизбежно и где оно произойдет тем скорее, чем больше превышает Асимптотический характер кривой длительного со­противления справедлив и для напряженного состояния древесины других видов.

Две области кривой, указанные на рис. 1.8., различают также по ха­рактеру зависимости деформации от времени при заданном значений дейст­вующей нагрузки (напряжения). Так, при напряжении деформации с течением времени затухают, стремясь к некоторому пределу (пунктир на рис. 1.9.,а), а при после некоторого уменьшения скорости

Длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины в отличие от предела прочности, определяемого быс­трыми испытаниями на машине стандартных образцов. Переход от предела прочности к длительному сопротивлению производится умножением преде­ла прочности на коэффициент длительного сопротивления, равный отноше­нию предела длительного сопротивления к пределу прочности. По опытным данным, коэффициент длительного сопротивления может быть принят 0,5...0,6. Опыты показывают, что при очень быстром приложении нагрузки, например, при ударе, предел прочности повышается по сравнению с дли­тельным сопротивлением в среднем в 3 раза. Таким образом, относительная прочность древесины при ее испытании с различной скоростью приложе­ния нагрузки изменяется в пределах 1...3.

Фактически деревянные конструкции находятся под совместным действием постоянных (например, собственный вес), временно длительных (например, снеговая) и кратковременных (например, ветровая) нагрузок. Опыты показывают, что в этом случае предел прочности зависит от соотно­шения этих нагрузок и изменяется от предела длительного сопротивления (при наличии только постоянной нагрузки) до предела прочности, опреде­ляемого при стандартной скорости загружения от действия основных крат­ковременных нагрузок.

Первые систематические работы по исследованию влияния про­должительности действия нагрузки на прочность древесины были проведе­ны Ф.П.Белянкиным, результаты их были опубликованы в 1931 и 1934 гг.

Влияние влажности. При повышении влажности древесины от нулевой до точки насыщения клеточных стенок примерно до 30 % ее проч­ность, в том числе и длительная, уменьшается, деформативность увеличи­вается и модуль упругости снижается. В наименьшей степени влажность влияет на ударную прочность древесины и на прочность при растяжении вдоль волокон. В других случаях влияние влажности сравнительно велико и при ее изменении на 1 % прочность меняется на 3 - 5 %. Повышение влажности древесины свыше точки насыщения волокон не приводит к дальнейшему снижению ее прочности.

Для сравнения прочности древесины надо показатели прочности приводить к одной влажности. Комиссия по стандартизации СЭВ приняла для показателей физико-механических свойств древесины стандартную влажность 12 %. Приведение к стандартной влажности производят по фор­муле

ности при повышенных температурах, осложненное усушкой в присучко-вом косослое, является основной причиной наблюдавшихся иногда разры­вов деревянных элементов конструкций в жаркие летние месяцы, когда на­пряжение в элементах значительно ниже, чем зимой.

Из изложенного следует, что при экспериментальном определении прочности древесины следует учитывать не только ее влажность, но и тем­пературу. Предел прочности при данной температуре к прочности при стан­дартной температуре 20°С можно пересчитывать по формуле

где - искомая прочность при - прочность при данной

температуре - поправочное число на температуру, принимаемое по табл. 1.2

где - предел прочности при влажности 12 %; - влажность в момент испытания; - предел прочности при влажности в момент испы­тания; - поправочный коэффициент, принимаемый по табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Таблица 1.2.

	МПа, при
Порода древесины	сжатии вдоль волокон	статическом изгибе	скапывании вдоль в	растяжении олокон
Сосна	3,5	4,5	0,4
Ель	2,5		.	_
Лиственница	4,5	.	.	_
Пихта	2,5	.	_	щ
Береза	4,5	-	-	-

Формула приведения действительна в пределах изменения влажности 8-23%.

Влажность определяют взвешиванием до и после высушивания до постоянного веса в сушильном шкафу образцов небольших размеров. В производстве влажность сортаментов можно определять, не вырезая образцов, с помощью электровлагомера, действие которого основано на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности.

Влияние температуры. Опыты показывают, что предел прочности при любой влажности зависит от температуры, с ее повышением прочность уменьшается, с понижением - увеличивается. При большой влажности и отрицательных температурах влага в древесине превращается в лед, получается так называемая замороженная древесина, прочность которой на сжатие, поперечный изгиб, скалывание и раскалывание возрастает. В то же время замороженная древесина становится более хрупкой и сопротивление ее ударному изгибу понижается.

Модуль упругости при повышении температуры понижается, что увеличивает деформативность деревянных конструкций.

Формула приведения действительна в пределах положительных температур 10-50°С. Пересчет к температуре 20°С должен производиться после пересчета к влажности.

Плотность древесины. Испытания показывают значительный раз­брос показателей механических свойств даже для одной и той же породы древесины. Это объясняется неоднородностью древесины, связанной с осо­бенностями ее анатомического строения. Так, у хвойных пород, преимуще­ственно применяемых в строительстве, прочность поздней древесины в 3...5 раз выше прочности ранней древесины. Чем толще стенки трахеид и чем больше процент поздней древесины, тем выше плотность древесины и ее прочность. Опытами установлена прямая пропорциональность между пределом прочности и плотностью древесины.

Пороки древесины. Механические свойства древесины во многом зависят от наличия в них пороков и размеров этих пороков, в особенности сучков, ослабляющих сечение. При определении сорта древесины учитыва­ется содержание в ней пороков.

Масштабный фактор. Как свидетельствуют результаты испыта­ний деревянных образцов на один и тот же вид напряженного состояния при прочих равных условиях масштабный фактор оказывает на них большое влияние.