Прочность деревянных конструкций

Прочность деревянных конструкций зависит от прочности составляющих их досок, брусьев и бревен, наличия пороков древесины (сучков), которые ослабляют прочность.

По своему строению древесина имеет пористое строение, вследствие этого она является анизотропным материалом, и имеет отличающиеся механические свойства по различным направлениям. Максимального значения прочность древесины достигает, когда направление действующей силы совпадает с направлением волокон, с увеличением угла между воздействующей силой и направлением волокон прочность древесины уменьшается в несколько раз.

Определение предела прочности древесины производится путем испытания стандартных образцов на специальных машинах. Образцы выполняются из древесины, не содержащей каких-либо пороков. Испытания показали большой разброс прочности даже у образцов одной породы, как следствие неоднородности древесины. При испытании хвойных пород, наиболее широко используемых в строительстве, обнаружилось, что прочность ранней древесины в 2-3 раза ниже прочности поздней древесины. Содержание поздней древесины и толщина стенок ее трахеид отличаются от более ранней. Со временем стенки трахеид становятся толще, объемный вес древесины растет, прочность увеличивается.

Прочность разных пород древесины зависит также от ее влажности и возраста; древесина молодых деревьев имеет значительно меньшую прочность, чем у взрослых деревьев, а при увеличении влажности прочность может уменьшиться почти вдвое.

Деформативностью называется изменение формы и размеров материалов под действием внешних сил (нагрузки, влажности, температуры). Если после снятия нагрузки деформация материала остается, она называется остаточной.

Упругость — свойство тела (материала) сопротивляться изменению его объема и формы под воздействием механических напряжений от нагрузок и восстанавливать свои объем и форму после снятия нагрузок. Древесина — упругий материал, устойчивый к деформации. Она выдерживает большие нагрузки без изменения формы и размеров. Изделия из древесины не теряют первоначального вида при эксплуатации в течение 20…25 лет.

Пластичность — способность материала под действием нагрузки изменять свою форму и без признаков разрушения полностью сохранять полученную форму после снятия нагрузки. На этом свойстве основано тиснение и гнутье древесины. Пластичность древесины зависит от степени ее влажности и возраста (молодая и влажная древесина обладает большей пластичностью).

Истираемость — способность материала сопротивляться воздействию истирающих усилий (разрушению под действием трения). Важное значение для линолеумов и синтетических плиток имеет стойкость материалов к истиранию, так как толщина безподосновного линолеума 1,2…2 мм. Истираемость паркета, линолеума и синтетических плиток определяют в лабораторных условиях на машинах Шоппера и Грассели, а покрытий полов из текстильных синтетических ковров — на машинах МИВ-2 и ВНИИК.

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям. Таким воздействиям подвергаются материалы в конструкциях полов.

Твердость — свойство материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел. Чем плотнее древесина, тем больше ее твердость. Наибольшей твердостью отличается древесина самшита, граба, дуба, ясеня, бука, клена; древесина сибирского кедра, ели, липы и пихты обладает меньшей твердостью.

Ценным механическим свойством древесины является ее способность оказывать сопротивление выдергиванию гвоздей и шурупов. Его величина зависит от твердости породы древесины и направления движения гвоздя или шурупа по отношению к ее волокнам. Сопротивление уменьшается, когда гвоздь забивают вдоль волокон, и увеличивается, когда его забивают поперек волокон. Для выдергивания гвоздя из древесины граба плотностью 780 кг/м³ требуется в 4 раза большее усилие по сравнению с древесиной сосны, плотность которой 440 кг/м³. Сопротивление выдергиванию гвоздей и шурупов, забитых во влажную древесину, снижается при последующем ее высыхании.

Сопротивление раскалыванию — способность древесины сопротивляться разделению вдоль волокон. По характеру это разрушение близко к разрушению при растяжении древесины поперек волокон. У хвойных пород сопротивление раскалыванию по плоскости тангентального разреза меньше, чем по радиальной плоскости. У лиственных пород из-за влияния сердцевинных лучей, наоборот, сопротивление раскалыванию по радиальной плоскости ниже, чем по тангентальной.

Опытным путем удалось обнаружить прямо пропорциональную зависимость между пределом прочности древесины и ее объемным весом. На прочность древесины влияет и ширина годовых слоев, слишком широкие и слишком узкие годовые слои снижают прочность древесины.

Косослой: а – природный, волокна направлены винтообразно вдоль ствола; б – искусственный, полученный при распиловке сбежистого бревна; в – изменение косослоя	Пороки древесины: а – неправильности строения древесины (1 – косослой; 2 – свилеватость; 3 крепь); б – трещины (1 – метик; 2 – морозобой; 3 – отлуп); в – сучки (1 – округло-овальный; 2 – сшивной в еловой доске; 3 – лапчатый в сосновой доске)

Анизотропия (означает неодинаковость свойств материала в различных структурных направлениях) является следствием особенностей анатомического строения древесины, в которой ее механические и упругие свойства резко отличаются для направлений вдоль и поперек волокон. Помимо строения древесины, на механические свойства оказывает влияние неоднородность древесины, обусловленная наличием поздней и ранней древесины годовых колец. Прочность поздней древесины годичных колец в 3-4 раза выше прочности ранней древесины. Необходимо отметить, что теплофизические свойства, теплопроводность, линейное тепловое расширение, электропроводность древесины также различны по трем направлениям структурной симметрии, т.е. древесина анизотропна также в отношении этих свойств.

Оси плоскости симметрии элементарного объема древесины: а) – плоскости симметрии ортотропной анизотропии; б)- схема цилиндрической анизотропии изотропного тела	Диаграмма деформирования древесины при растяжении вдоль волокон

Расчетная модель предполагает наличие трех взаимно перпендикулярных плоскостей структурной симметрии. Такие материалы называют ортотропными. Предположение об ортотропности применительно к элементарному объему древесины является упрощенной схемой (см. рис.выше, а). Механические свойства древесины различны в разных направлениях и зависит от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон (см. рис.выше, б). При совпадении направления усилия и волокон прочность древесины достигает максимального значения. Поэтому, при выведении формул для определении расчетных сопротивлений под углом к волокнам, древесина рассматривался как ортотропный материал.