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
Значения физико-механических параметров древесины в большинстве случаев становятся определяющим фактором во время выбора строительных материалов для возведения зданий и архитектурных конструкций (срубы, лестницы, стропильные системы, перекрытия) и производства различных изделий (окна двери, полы, мебель и т. д.). Рассмотрим более подробно эти характеристики для пиломатериалов в сравнении с другими используемыми строительными материалами.
Физические свойства пиломатериалов
К физическим свойствам относят характеристики макроструктуры, внешний вид, плотность, звуко- и теплопроводность и показатели, связанные с влажностью (растрескивание, разбухание, усушка, коробление).
Внешний вид – определяется макроструктурой, цветом, блеском и текстурой.
- Цвет — древесина получает за счет наличия в ней различной концентрации дубильных соединений, смолистых и красящих веществ, может иметь нехарактерные оттенки из-за поражения грибковыми заболеваниями. Очень важная характеристика, играет решающую роль во время подбора дизайнерских решений внутренней и внешней отделки строений, например при выборе имитации бруса и породы древесины из которой она изготавливается. Изготовление мебели, дверей, окон и других столярных изделий тоже основывается на этой характеристике.
- Текстура — так называется рисунок, видимый на разрезах древесины. Зависит от ширины и расположения годичных слоев, крупных внутренних сосудов и сердцевинных лучей. Большинство пиломатериалов на тангенциальном срезе имеют более красивую текстуру, породы хвойных деревьев не отличаются высокими характеристиками по красоте текстуры.
- Блеск — свойство отражать падающий световой поток, определяется плотностью и особенностями макростроения пиломатериалов. Можно искусственно увеличить блеск пиломатериалов за счет шлифовки и покрытия лаком.
- Влажность — измеряется по формуле W = (m–m0) / m0 × 100, где m – масса проверяемого образца, m0 – масса образца абсолютно сухого. Метод очень точный, но очень длительный по времени определения, требует наличия специальных приборов и приспособлений. В настоящее время разработаны приборы, которые почти моментально определяют значение влажности древесины за счет изменения показаний электропроводности в зависимости от количества воды.
С влажностью пиломатериалов связаны явления усушки, разбухания, растрескивания и коробления. Влажность – это очень важный показатель, который в значительной степени оказывает влияние на устойчивость геометрических форм различных конструкций и изделий из пиломатериалов. Следует отметить как существенный – показатель устойчивости древесины к повышенной влажности. Хвойные породы по этим значениям имеют отличные характеристики. Уменьшение влажности пиломатериала приведет к увеличению положительных характеристик, а именно – снижению показателей теплопроводности и звукопроницаемости, а также увеличит срок эксплуатации изделия или постройки. Изменять показатель влажности, уменьшая содержание влаги, возможно разными способами от технологичных в промышленных масштабах, до традиционных в домашних условиях. Например с помощью атмосферной сушки подробно описанной в ГОСТ 3808.1-80. Подробно ознакомится со способами сушки на основании государственных стандартов и норм, а так же с учетом практического опыта вы можете в статье – технология атмосферной сушки.
Среди других пород особо стоит отметить осину. Она превосходит по устойчивости к повышенной влажности хвойные породы и служит идеальным материалом во время строительства бань, парилок и других архитектурных элементов, работающих в условиях высокой влажности или прямого контакта с водой.
Коэффициенты объемной усушки (Ку) и разбухания (Кр) пиломатериалов по направлению к волокнам
| Порода пиломатериалов | Объемно | Радиально | Тангенциально | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ку | Кр | Ку | Кр | Ку | Кр | |
| Лиственница | 0.52 | 0.61 | 0.19 | 0.20 | 0.35 | 0.39 |
| Сосна | 0.44 | 0.51 | 0.17 | 0.18 | 0.28 | 0.31 |
| Кедр | 0.37 | 0.42 | 0.12 | 0.12 | 0.26 | 0.28 |
| Осина | 0.41 | 0.47 | 0.14 | 0.15 | 0.28 | 0.30 |
* Чем ниже коэффициенты – тем лучше древесина, тем качественнее будут из нее изделия.
- Усушка – уменьшение линейных параметров пиломатериалов вследствие потери влаги.
- Коробление. Изменение геометрических размеров и формы пиломатериалов под влиянием показателей влажности называется короблением. Может быть продольным, поперечным, дугообразным, винтовым и т. д.
- Плотность. Зависит от породы пиломатериалов и показателей влажности. От плотности зависят многие механические показатели прочности древесины.
- Звукопроводность. Свойство материалов проводить звуковые волны без потери их мощности. Лучше всего звук в древесине распространяется по направлению волокон, значительно хуже – в радиальном направлении. Показатели звукопроводности зависят от плотности и особенностей строения пиломатериалов. В строительстве используют коэффициент поглощения звуковых волн, этот показатель играет существенную роль в создании комфортных условий пребывания в помещениях людей.
Коробление пиломатериалов
Средние значения плотности пиломатериалов, кг/м3
| Порода древесины | Плотность абсолютно сухих пиломатериалов | Плотность при влажности 12% |
|---|---|---|
| Лиственница | 630 | 660 |
| Ель | 420 | 445 |
| Кедр | 410 | 435 |
| Сосна обыкновенная | 470 | 500 |
| Осина | 470 | 495 |
| Пихта сибирская | 350 | 375 |
Предлагаем ознакомится с таблицей звукоизоляционных свойств древесины и изделий из нее (пиломатериалов), где вы сможете сравнить их с другими стройматериалами.
Показатели коэффициентов звукопоглощения различных строительных материалов
| Наименование | Коэффициент звукопоглощения при колебаниях 1000 Гц |
|---|---|
| Дерево | 0.06–0.1 |
| Кирпич | 0.032 |
| Бетон | 0.015 |
| Минеральная вата | 0.45–0.95 |
- Теплопроводность. Одна из главнейших характеристик всех строительных материалов. Теплопроводность напрямую связана с показателями гидроизоляционных и пароизоляционных характеристик. По теплопроводности пиломатериалы занимают одно из ведущих мест среди всех видов стройматериалов. Паропроницаемость и воздухопроницаемость – свойство древесины к обмену воздуха между внутренними и внешними поверхностями. Пиломатериалы могут «дышать», что благоприятно сказывается на показателях микроклимата в помещениях.
Сравнительная таблица теплопроводности и паропроницаемости
| Материал | Теплопроводность, Вт/м2×С° | Паропроницаемость, Мг/(м2×ч×Па) |
|---|---|---|
| Железобетон | 1.69 | 0.03 |
| Бетон | 1.51 | 0.03 |
| Кирпич, силикатный | 0.70 | 0.11 |
| Кирпич керамический пустотелый | 0.35 | 0.17 |
| Пенобетон | 0.29 | 0.11 |
| Кирпич красный глиняный | 0.56 | 0.11 |
| Керамзитобетон | 0.66 | 0.09 |
| Сосна, ель вдоль волокон | 0.18 | 0.32 |
| Сосна, ель поперек волокон | 0.09 | 0.06 |
| ДСП, ОСП | 0.15 | 0.12 |
| Фанера клееная | 0.12 | 0.02 |
Механические свойства пиломатериалов
Способность выдерживать статические и динамические нагрузки без изменения первоначальных форм или разрушения целостности – показатели механической прочности древесины. Чем выше механические характеристики – тем выше качество пиломатериалов.
- Прочность – свойство пиломатериалов сопротивляться разрушениям Основные виды действующих усилий: сжатие, длительный статический изгиб, растяжение и сдвиг. Показатели прочности во многом зависят от направления действия сил по отношению к волокнам. Пиломатериалы могут выдержать поперек волокон только 1/20 усилий, выдерживаемых вдоль волокон. Хвойные породы древесины занимают промежуточное место по характеристикам прочности среди всех видов древесины. Неплохими показателями обладает береза, из нее можно изготавливать нагруженные целостные конструкции или отдельные конструктивные элементы: нагели, детали мебели, износостойкие элементы отдельных архитектурных конструкций и столярных изделий. Показатели физической прочности измеряются в специализированных лабораториях с учетом действующих государственных нормативных актов.
Определение прочности при изгибе
Определение прочности при сжатии
Определение прочности при растяжении
Определение прочности при скалывании
Прочность во время сжатия поперек волокон древесины в восемь раз ниже прочности вдоль волокон. Пиломатериалы хвойных пород имеют свойство уплотняться до 1/3 начальных параметров по высоте без видимых разрушений. Испытания могут проводиться в различных направлениях по отношению к расположению волокон, в том числе и тангенциальном. Хвойные породы, в отличие от лиственных, в тангенциальном направлении имеют более высокие показатели. Подробности про виды распилов можете узнать здесь.
- Твердость. Свойство пиломатериалов оказывать сопротивление внедрению твердых предметов. Торцовая твердость всегда выше боковой. По твердости дерево уступает большинству строительных материалов.
- Ударная вязкость. Способность поглощать динамические нагрузки без видимых разрушений или нарушений линейности поверхности. Пиломатериалы имеют относительно большие значения ударной вязкости.
- Раскалывание. В радиальной плоскости сопротивление раскалыванию хвойных пород существенно меньше, чем в других направлениях.
Максимальный предел прочности, МПа
| Порода древесины | Статический изгиб | Сжатие вдоль волокон | Раскалывание вдоль волокон | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Радиальное | Тангенциальное | ||||
| Сосна обыкновенная | 86/50 | 49/21 | 7,5/4,3 | 7,3/4,5 | |
| Лиственница | 112/62 | 65/26 | 9,9/6,3 | 9,4/5,8 | |
| Пихта | 69/41 | 39/18 | 6,4/4,5 | 6,5/4,2 | |
| Ель | 80/44 | 45/20 | 6,9/4,1 | 6,8/4,4 | |
| Береза | 110/60 | 55/23 | 11/5,9 | 11,2/5,9 | |
| Осина | 78/46 | 73/19 | 6,3/3,6 | 8,6/5 | |
- Способность удерживать металлические метизы. Гладкие гвозди частично разрезают, а частично раздвигаю волокна, фиксируются усилиями трения. Шурупы по дереву цепляются за волокна. Сопротивление выдергиванию шурупов в два раза больше, чем сопротивление выдергиванию гвоздей.
- Способность к изгибам. Важное свойство во время изготовления различной мебели или декоративных архитектурных конструкций. Хвойные породы в сухом состоянии гнутся плохо, перед изгибом их нужно обязательно вымачивать с последующей сушкой под напряжением до требуемых технологией производства значений влажности.
- Износостойкость – способность противостоять длительным нагрузкам трения на поверхностные зоны пиломатериалов. Важная характеристика, оказывающая влияние на время эксплуатации изделий и конструкций из дерева. Зависит от направления распила и природных свойств древесины. Наиболее высокие показатели имеют торцевые поверхности, на втором месте тангенциальный распил. Сухая древесина изнашивается значительно медленнее, чем влажная.
Во время проектирования нагруженных деревянных конструкций принимаются не расчетные лабораторные показатели механической прочности, а используется специальный корректировочный коэффициент. Он учитывает возможное наличие природных пороков древесины, болезней, и гнилостных процессов. Описание пороков древесины, их классификацию и влияние на качество пиломатериала, вы можете изучить в материале – классификация дефектов древесины или пороки древесины.
Кроме того, выполняется корректировка значений с учетом сортности пиломатериалов. Методы и критерии сортировки пиломатериалов по сортам описаны в статье – сорта доски обрезной и бруса. На практике все показатели механической прочности понижаются не менее чем в два раза, только эти значения берутся за исходные данные во время проведения инженерных расчетов различных конструкций зданий и строений.
Технологические преимущества хвойных пиломатериалов
- Экологические характеристики. По безопасности для людей с пиломатериалами может сравниться только красный кирпич. Все остальные существующие сегодня строительные материалы выделяют в воздух вредные химические соединения в том или ином количестве. Особенно это касается клееных материалов (фанера, плиты ОСП, МДФ и ДСП), клееных пиломатериалов. Количество вредных веществ, которое принято считать безопасным, определяется государственными органами, в каждой стране оно имеет свои значения. Показатели безопасности не носят объективного характера, а зависят от существующего законодательства.
- Эксплуатационные характеристики. К ним относятся тепловые потери, звуконепроницаемость, несущие показатели и долговечность использования. По совокупности этих показателей дерево считается самым лучшим материалом в строительстве. По теплосберегающим свойствам или энергоэффективности, обрезной брус хвойных пород (сосны или ели,) толщиной 20 см заменяют кирпичную стену толщиной 60 см и бетонную стену толщиной 1,2 метра. В таких же соотношениях располагаются показатели по звукопроницаемости. Отношение прочности к теплопроводности у пиломатериалов на первом месте, они выдерживают нагрузку многоэтажных строений. Длительность эксплуатации во многом зависит от условий, некоторые старинные строения стоят до сих пор. Для повышения устойчивости к загниванию и открытому огню применяются специальные пропитки – первоначальные характеристики существенно улучшаются.
- Дизайнерские характеристики. Красота натуральной фактуры древесины не имеет себе равных, ни один искусственный материал не может сравниться с природным рисунком.
- Технологичность обработки. Древесина легко обрабатывается всеми станками, электрическим и ручным столярными инструментами. Она отлично держит метизы, для фиксации отдельных элементов изделий нет надобности сверлить дополнительные отверстия под дюбели. Небольшой удельный вес облегчает процесс перевозки и складирования пиломатериалов.
- Стоимость. Есть материалы дешевле, но по одному показателю цены не следует ориентироваться. Опытные строители советуют обращать внимание на отношение цены ко всем остальным характеристикам. Только таким образом можно добиться существенной экономии не только на строительстве дома, но и на его содержании. Комплексная оценка характеристик пиломатериалов выводит их на первое место среди всех используемых сегодня строительных, отделочных и декорирующих материалов.
- Широкий ценовой диапазон. В зависимости от сортности и породы древесины пиломатериалы могут по цене отличаться в несколько раз. Это позволяет сделать оптимальный выбор для каждого индивидуального случая, подбирать материалы с учетом конкретного места их использования, возможных нагрузок и требований по дизайнерскому виду.
Изделия из дерева отличный выбор как для строительства дома, так и для его отделки. Важно знать, что для безопасной и долгосрочной эксплуатации домов и помещений из дерева необходимо учитывать строительные нормы и правила, связанные с обработкой деревянных конструкций, монтажа электрических систем, а также отопительных приборов. Подробнее в следующих материалах…
Источник