Дерево

Прочность древесины

Список пород древесины

Механические свойства древесины

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться действию усилий. К механическим свойствам древесины относятся прочность и деформативность, а также некоторые эксплуатационные и технологические свойства.

Прочность – способность древесины сопротивляться разрушения под действием механических усилий; характеристикой ее является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает древесина без разрушения. Показатели пределов прочности устанавливают при испытании древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и редко при кручении.

Деформативностью называется изменение формы и размеров древесины под действием внешних сил.

Прочность древесины при растяжении. Испытание на растяжение вдоль волокон проводят на образцах сложной формы (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Испытание древесины на растяжение вдоль волокон: а – образец; б – схема закрепления образца в захватах испытательной машины

Разрушение происходит в виде разрыва волокон. Характер разрыва волокон может быть длинноволокнистый или защепистый для древесины с высокой прочностью, и гладкий или раковистый для древесины с малой прочностью.

Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 130 МПа. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

Прочность древесины при растяжении поперек волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть предела прочности при растяжении вдоль волокон, т.е. 6,5 МПа. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперек волокон. Прочность древесины поперек волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины. В таблице 2.8 приведена прочность древесины при растяжении вдоль волокон .

Таблица 2.8 – Прочность древесины при растяжении вдоль волокон

Порода Предел прочности, МПа, при влажности, %
12 30 и более
Лиственница 125 96
Сосна 103 79
Ель 103 79
Кедр 90 69
Пихта сибирская 67 51
Акация белая 176 109
Береза 168 126
Ясень 145 109
Граб 141 106
Осина 125 94
Бук 123 92
Липа 121 91
Ольха 101 76
Тополь 91 68

Из данных таблицы 2.8 видно, что при влажности 12 % наибольший предел прочности при растяжении имеет акация белая, а наименьшую – пихта сибирская. При влажности 30 % и более наибольшей прочность при растяжении обладает береза, а наименьшей – пихта сибирская.

Прочность древесины при сжатии. Испытание древесины на сжатие вдоль волокон является наиболее распространенным. Это объясняется простотой приложения нагрузки, а также и тем, что древесина оказывает большое сопротивление сжатию волокон.

Для испытания на сжатие используют образец в форме прямоугольной призмы с основанием 20×20 мм и высотой (вдоль волокон) 30 мм (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Образец для испытания на сжатие вдоль волокон

Средняя величина предела прочности для всех пород составляет 50 Мпа (при влажности 12 %). Прочность древесины при сжатии поперек волокон ниже, чем вдоль волокон примерно в 10 раз. В таблице 2.9 приведена прочность древесины при сжатии вдоль волокон .

Таблица 2.9– Прочность древесины при сжатии вдоль волокон

Порода Предел прочности при влажности, %
12 30 и более
Лиственница 64,5 25,5
Сосна 48,5 21,0
Пихта сибирская 39,0 17,5
Граб 60,0 26,5
Ясень 59,0 32,5
Бук 55,5 26,0
Липа 45,5 24,0
Ольха 44,0 23,5
Осина 42,5 19,0
Ель 44,5 19,5
Кедр 42,0 18,5
Акация белая 75,5 41,5
Клен 59,5 28,0
Дуб 57,5 31,0
Орех грецкий 55,0 24,0
Береза 55,0 22,5
Вяз 48,0 25,0
Тополь 39,0 18,0

Из данных таблицы 2.8 видно, что наибольший предел прочности при сжатии вдоль волокон при влажности 12 % имеет акация белая, а наименьший – тополь и пихта сибирская. При влажности 30 % и более наибольшей прочностью обладает акация белая, а наименьшей – пихта сибирская.

Прочность древесины при статическом изгибе. Испытания проводят на образцах прямоугольного сечения размером 20×20×300 мм. Образец располагают на опорах и нагружают двумя нажимными ножами (рисунок 2.5)

Излом может быть защепистым, что свидетельствует о высоком качестве древесины, и гладким с небольшими тупыми выступами у древесины низкого качества. В среднем для всех пород прочность при изгибе составляет 100 МПа, т.е. в 2 раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Кроме обычного поперечного изгиба, когда волокна древесины направлены вдоль оси бруска, встречаются случаи работы древесины на изгиб, когда волокна ее направлены поперек оси бруска.

Рисунок 2.5 – Схема испытания древесины на статический изгиб

Предел прочности на изгибе в последнем случае составляет 4-5 % от предела прочности при обычном изгибе. В таблице 2.10 представлены данные по прочности древесины при статическом изгибе .

Таблица 2.10 – Прочность древесины при статическом изгибе

Порода Предел прочности, МПа, при влажности, %
12 30 и более
Лиственница 111,5 61,5
Сосна 86,0 49,5
Ель 79,5 44,0
Кедр 73,5 42,5
Пихта сибирская 68,5 40,5
Акация белая 158,0 97,5
Граб 137,0 73,5
Ясень 123,0 74,5
Клен 120,0 77,5
Орех грецкий 110,0 60,5
Береза 109,5 59,5
Бук 108,5 64,5
Дуб 107,5 68,0
Вяз 95,5 59,0
Липа 88,0 54,0
Ольха 80,5 49,5
Осина 78,0 45,5
Тополь 69,0 40,5

Из данных таблицы 2.10 видно, что при влажности 12, 30 % и более наибольшей прочностью при статическом изгибе обладает акация белая, а наименьшей – пихта сибирская и тополь.

Прочность древесины при сдвиге. При испытаниях на сдвиг к образцу прикладываются две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости. Различают три случая сдвига (рисунок 2.6): скалывание вдоль и поперек волокон, и перерезание.

Рисунок 2.6 – Случаи сдвига древесины: а – скалывание вдоль волокон; б – скалывание поперек волокон; в – перерезание поперек волокон

Скалывание вдоль волокон – одно из важнейших механических свойств древесины. Для испытания на скалывание вдоль волокон используют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке 2.7. В образце измеряют ширину b и длину l площади скалывания, после чего он устанавливается в специальном приспособлении и доводится до разрушения.

Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород, имеющих широкие сердцевинные лучи (бука, дуба, граба), скалывание по тангенциальной плоскости на 10-30 % выше, чем скалывание по радиальной плоскости.

Рисунок 2.7 – Образец для испытания древесины на скалывание вдоль волокон

Предел прочности при скалывании поперек волокон примерно в 2 раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность древесины при перерезании поперек волокон в 4 раза выше прочности при скалывании вдоль волокон. В таблице 2.11 представлены данные по прочности древесины при скалывании вдоль волокон .

Таблица 2.11 – Прочность древесины при скалывании вдоль волокон

Порода Предел прочности, МПа, при скалывании в плоскости
радиальной при влажности, % тангенциальной при влажности, %
12 30 и более 12 30 и более
Лиственница 9,9 6,3 9,4 5,8
Сосна 7,5 4,3 7,3 4,5
Ель 6,9 4,1 6,8 4,4
Кедр 6,6 4,0 7,0 4,3
Пихта сибирская 6,4 4,5 6,5 4,2
Граб 15,6 8,8 19,4 10,6
Ясень 13,9 9,4 13,4 8,7
Клен 12,4 8,4 14,2 9,0
Бук 11,6 7,0 14,5 8,9
Орех грецкий 11,0 5,9 11,6 6,1
Дуб 10,2 7,2 12,2 9,0
Береза 9,3 5,0 11,2 5,9
Вяз 9,1 6,5 10,2 7,3
Груша 8,9 5,6 14,2 8,1
Липа 8,6 5,6 8,1 5,0
Ольха 8,1 5,2 10,0 6,3
Осина 6,3 3,6 8,6 5,0
Тополь 6,1 3,4 7,2 4,2

Из данных таблицы 2.11 видно, что наибольший предел прочности в радиальной плоскости при влажности 12 % имеет граб, при 30 %

Твердость.

Твердость – это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определенной формы. Твердость торцовой поверхности выше твердости боковой поверхности (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% у хвойных. По степени твердости все древесные породы можно разделить на три группы:

мягкие – торцовая твердость 40 МПа и менее (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан);

твердые – торцовая твердость 40,1 — 80 МПа (лиственница, сибирская береза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клен, лещина, орех грецкий, хурма, яблоня, ясень);

очень твердые – торцовая твердость более 80 МПа (акация белая, береза железная, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).

Твердость древесины имеет существенное значение при обработке ее режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве полов, лестниц перил.

Ударная вязкость. Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше требуется затратить работы на разрушение образца, тем выше вязкость.

По характеру излома можно судить о качестве древесины. Вязкая древесина дает защепистый излом, хрупкая древесина дает гладкий (раковистый) излом. Древесина лиственных пород обладает большей вязкостью (примерно в 1,5-2 раза) по сравнению с древесиной хвойных пород.

Износостойкость древесины – способность поверхностных слоев противостоять износу, т.е. разрушению в процессе трения.

Износостойкость зависит от плотности и твердости, направления по отношению к волокнам, а также от влажности. С увеличением плотности износ и твердости с поверхности древесины уменьшается. Влажность древесины облегчает ее износ. Износ древесины с боковой поверхности больше, чем с торцовой.

Способность древесины удерживать металлические крепления. При забивании гвоздя в древесину ее волокна частично перерезаются, изгибаются, разрушаются, возникают упругие деформации и на Бокову. Поверхность гвоздя эти деформации оказывают давление, которое вызывает трение, удерживающее гвоздь в древесине.

Величина сопротивления выдергиванию зависит от направления гвоздя или шурупа по отношению к волокнам, породы древесины и плотности. Для выдёргивания гвоздя, вбитого вдоль волокон, требуется меньшее усилие (на 10-50 %) по сравнению с усилием, необходимым для выдергивания такого же гвоздя, забитого поперек волокон. Чем больше плотность древесины, тем выше сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа.

Повышение влажности древесины облегчает вбивание гвоздя в нее.

Породы древесины: свойства, применение в строительстве

При высыхании древесины способность ее удерживать гвозди уменьшается, так как происходит перерождение упругих деформаций в остаточные, и трение, удерживающее гвоздь, уменьшается.

Способность древесины гнуться. Способность древесины гнуться позволяет гнуть ее. Более высокой способностью гнуться отличается древесина кольцесосудистых 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. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие перерождения при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали.

Способность древесины раскалываться. Это древесины имеет практическое значение, так как некоторые сортименты ее заготовляют раскалыванием (клепка, обод, спицы, дрань и др.).

Раскалывание может проходить по радиальной и тангенциальной плоскостям. Сопротивление раскалыванию по радиальной плоскости у древесины лиственных пород меньше, чем по тангенциальной. Это объясняется влиянием сердцевинных лучей (у дуба, бука, граба). У хвойных пород, наоборот, раскалывание, по тангенциальной плоскости меньше, чем по радиальной. При тангенциальном раскалывании у хвойных пород разрушение происходит по ранней древесине, прочность которой значительно меньше прочности поздней древесины.

Изменчивость свойств древесины. Древесина – материал живой природы и поэтому ее свойства меняются от различных факторов. Эти свойства неодинаковы для различных древесных пород, но и в пределах одной породы они различны. Свойства древесины изменяются от возраста, условий произрастания, времени, рубки и т.д. Условия произрастания включают качество и состояние почвы, климатические особенности, тип леса, высоту над уровнем моря.

Показатели физико-механических свойств древесины в той или иной степени связаны с ее плотностью. Так, по высоте ствола плотность древесины уменьшается в направлении от комля к вершине. По радиусу ствола свойства также меняются. На плотность древесины оказывает влияние форма ствола и характер развития кроны.

Механические свойства древесины

Вертикальные статические нагрузки — это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, ее определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см² (кгс на 1 см²) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см² (кгс/см²).

Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангентальном направлении.

По направлению действия силы (нагрузок) различают прочность древесины на сжатие, изгиб, скалывание, растяжение. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в табл. 1… 3.

Таблица 1 Основные технические свойства различных древесных пород

Порода дерева Коэффициент усушки, % Механическая прочность для древесины с 15 % — ной влажностью, МПа (кгс/см²)
в радиальном направлении в тангентальном направлении на сжатие вдоль волокон на изгиб скалывание
в радиальной плоскости в тангентальной плоскости
Хвойные древесные породы
Сосна 0,18 0,33 43,9 79,3 6,9 (68) 7,3 (73)
Ель 0,14 0,24 42,3 74,4 5,3 (53) 5,2 (52)
Лиственница 0,22 0,40 51,1 97,3 8,3 (83) 7,2 (72)
Пихта 0,9 0,33 33,7 51,9 4,7 (47) 5,3 (53)
Твердолиственные древесные породы
Дуб 0,18 0,28 52,0 93,5 8,5 (85) 10,4 (104)
Ясень 0,19 0,30 51,0 115 13,8 (138) 13,3 (133)
Береза 0,26 0,31 44,7 99,7 8,5 (85) 11 (110)
Клен 0,21 0,34 54,0 109,7 8,7 (87) 12,4 (124)
Ильм 0,22 0,44 48,6 105,7 13,8 (138)
Вяз 0,15 0,32 38,9 85,2 7 (70) 7,7 (77)
Мягколиственные древесные породы
Осина 0,2 0,32 37,4 76,6 5,7 (57) 7,7 (77)
Липа 0,26 0,39 39 68 7,3 (73) 8 (80)
Черная ольха 0,16 0,23 36,8 69,2
Черная осина 0,16 0,31 35,1 60 5,8 (58) 7,4 (74)

Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангентальном направлении (рис. 1).

Испытание механических свойств древесины на сжатие

а — вдоль волокон; 6 — поперек волокон — радиально; в — поперек волокон — тангентально
Рис. 1

Строительные нормы и правила в зависимости от пороков делят деревянные конструкции на три категории.

Предел прочности древесины на сжатие вдоль волокон высок у всех пород. Поперек волокон он значительно меньше.

Для хвойных твердо- и мягколиственных пород нормативную сопротивляемость рассчитывают по коэффициентам табл. 2.

Таблица 2. Нормативная сопротивляемость чистой древесины сосны и ели

Вид сопротивления и характеристика элементов, находящихся под нагрузкой МПа (кгс/см²)
Сопротивление статическому изгибу R1:
для элементов, изготовленных из круглого леса с неослабленным поперечным сечением 16 (160)
для элементов с прямоугольным сечением (ширина 14 см, высота — 50 см) 15 (150)
для остальных элементов 13 (130)
Сопротивляемость сжатию Rсж и поверхностному сжатию Rп.сж.:
Rп.сж. вдоль волокон 13 (130)
в плоскости, паралельной направлению волокон Rп.сж.пл. 1,8 (18)
Сопротивление сжатию местной поверхности Rп.сж.:
поперек волокон в опорных местах конструкции 2,4 (24)
в опорных зарубках 3 (30)
под металлическими подкладками (если углы приложения силы 90…60º) 4 (40)
Сопротивляемость растяжению вдоль волокон Rраст.в.:
для элементов с неослабленным поперечным сечением 10 (100)
для элементов с ослабленным поперечным сечением 8 (80)
Сопротивляемость раскалыванию вдоль волокон Rраск.в. 2,4 (24)
Сопротивляемость раскалыванию поперек волокон Rраск.п. 1,2 (12)

Таблица 3 Твердость древесины различных пород

Порода дерева Твердость, МПа (кгс/см²)
для поверхности поперечного разреза для поверхности радиального разреза для поверхности тагентального разреза
Липа 19,0 (190) 16,4 (164) 16,4 (164)
Ель 22,4 (224) 18,2 (18,2) 18,4 (184)
Осина 24,7 (247) 17,8 (178) 18,4 (184)
Сосна 27,0 (270) 24,4 (244) 26,2 (262)
Лиственница 37,7 (377) 28,0 (280) 27,8 (278)
Береза 39,2 (392) 29,8 (298) 29,8 (298)
Бук 57,1 (571) 37,9 (379) 40,2 (402)
Дуб 62,2 (622) 52,1 (521) 46,3 (463)
Граб 83,5 (835) 61,5 (615) 63,5 (635)

Древесина работает на изгиб с опорой в середине (рис. 2, а) (доска-качель), с закрепленным концом (рис. 2, б) (балка балкона), с опорами на концах (рис. 2, в) (балки перекрытия). Во всех случаях конструкции подвержены растяжению и сжатию. В двух первых вариантах верхний слой конструкции растянут, а нижний — сжат, в третьем варианте — верхний слой сжат, а нижний растянут. В первом и третьем вариантах от воздействия критического момента разрушение произойдет в середине детали, во втором варианте — в месте ее закрепления. Во всех вариантах изгиба граница действия сил сжатия и растяжения проходит через ось в центре конструкции. Ее называют нейтральным слоем, так как здесь отсутствуют силы сжатия и растяжения, но действуют силы сдвига.

Испытание механических свойств древесины на изгиб

Рис. 2

Предел прочности древесины на сдвиг (скалывание) — это способность ее сопротивляться перемещению вдоль и поперек волокон (рис. 3, а, б,). Прочность на скалывание поперек волокон больше, чем вдоль волокон.

Сдвиг древесины

а — вдоль волокон; б — перпендикулярно волокнам
Рис. 3

Прочность забитых гвоздей при растяжении зависит от вида сопряжения детали (рис. 4). В первом случае оно в два раза меньше, чем при двойном.

Сдвиг деталей

а — обыкновенный; б — двойной
Рис. 4

Скалывание в деревянных конструкциях в узлах фермы действует совместно с силами на сжатие и изгиб. Направления сил в деревянной конструкции показаны на рис. 5.

Направление сип в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой

1 — сдвиг на скалывание; 2 — сжатие; 3 — растяжение; 4 — изгиб; 5 — сжатие
Рис. 5

Прочность древесины зависит от влажности и объемной массы. При увеличении влажности ее прочность уменьшается. Плотная сухая древесина более прочная, чем легкая и рыхлая. Неодинакова прочность древесины в различных местах ствола. Наиболее прочна древесина комлевой части ствола, имеющая большую объемную массу. На каждые 6 м предел прочности древесины (от комля к вершине) снижается на 8%.

Для древесины характерны эластичность и пластичность. Эластичность используется в рукоятках ручных инструментов, уменьшающих силу удара, например в ручке стамески.

Пластичность — способность древесины сохранять приданную ей форму после снятия приложенной нагрузки. Влажность и повышение температуры древесины увеличивают пластичность. Обработка древесины паром или горячей водой увеличивает ее пластичность, что находит применение в производстве гнутой мебели, лыж. Высокая пластичность у бука, вяза, дуба, ясеня, меньшая пластичность у хвойных пород из-за прямолинейной структуры волокон.

Хрупкость — это свойство древесины внезапно разрушаться под воздействием нагрузки. Хрупкой древесины не существует, это объясняется ее волокнистым строением.

Твердость древесины — это способность сопротивляться внедрению инородного тела. Увеличение объемной массы древесины повышает ее твердость и увеличивает трудоемкость обработки.

С увеличением влажности твердость древесины уменьшается. По твердости древесину подразделяют на твердую и мягкую.

Прочнейшая древесина

Твердые породы: граб, бук, дуб, клен, ясень, вяз, груша, орешник, ильм, лиственница и др., а наиболее твердые самшит и акация; мягкие: липа, ель, сосна, ольха и др.

Износостойкость — это способность древесины противостоять нагрузкам, возникающим в процессе трения (при эксплуатации полов, лестниц).

Износ древесины определяется стиранием поверхности при механических нагрузках в процессе эксплуатации и зависит от твердости и объемного веса древесины.

Составные части дерева и его строение

Пороки древесины

Физические свойства древесины

Обеспечение продолжительности эксплуатации древесины

Архитектура деревьев

Бук

Тисс

Кедр гималайский

Тополь

Тянь-шанская ель

Ясень

Автор: Х.А. Штерн
Столярно-плотничные работы
перевод: Б.П. Деменьтьева

Какая древесина самая прочная в России?

В мире существует множество деревьев, но прочность древесины каждого из них очень отличается.

Самую прочную древесину среди хвойных деревьев имеет лиственница. Она не только самая прочная, но и самая твердая и смолистая. Кроме этого, такая древесина больше других устойчива к гниению, что делает ее очень долговечной. Лиственница подходит не только для изготовления мебели и хозяйственных построек, но успешно используется и в кораблестроении или при постройке подводных сооружений.

Вагонка: сравнительный анализ пород древесины

Среди лиственных деревьев самой прочной древесиной, использующейся в столярных работах, несомненно обладает дуб. Древесина дуба характеризуется большой прочностью, гибкостью и стойкостью к гниению. Дуб может жить сотни лет.

Трудно поверить, но в Литве растет дуб, которому уже около 1500 лет! Это дерево растет в небольшой деревеньке Стелмуже. Высота дуба составляет 23 метра. На уровне человеческой груди диаметр ствола достигает 4-х метров! А если опоясать это древнее дерево на высоте 3-х метров, то обхват составит целых 13,5 метров! Невероятно, но дуб до сих пор покрыт листвой, как и во времена варягов. Стелмужский дуб является самым старым дубом Европы и объявлен памятником природы.

Несмотря на такую долговечную жизнь дубов, лидером по прочности древесины является береза. Конечно, это может показаться неправдоподобным, но это действительно так. Существует более 200 разновидностей берез и вот одна такая «русская красавица» обладает самой прочной древесиной, которую когда-либо встречал человек. Обычно люди называют ее Железной березой, научное же название «Береза Шмидта».

Береза Шмидта так названа в честь русского ученого-ботаника Ф.Б. Шмидта, который ее открыл. Произошло это во второй половине прошлого столетия на Дальнем Востоке.

Древесина этой березы в полтора раза прочнее чугуна, а прочность на изгиб приближается к прочности железа. Благодаря этому железная береза в некоторых случаях могла бы заменять и металл. В отличие от металла эта береза не подвергается коррозии и не гниет. Если из такой березы сделать корпус судна, то можно даже его не красить: он не разрушится из-за коррозии, ведь этой древесине нипочем даже кислоты.

Пули не пробивают березу Шмидта, а топоры не могут ее срубить. Живет железная береза около 400 лет, она самая долговечная береза из всех берез на планете.

Конечно, такая древесина могла бы повсеместно использоваться и быть очень полезной в промышленности, но береза Шмидта очень редка, растет она в заповеднике Кедровая Падь.

Понравилась статья? Поделись с друзьями! 😉

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *