Механические свойства

Они характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок) и внутренних напряжений. По характеру действия эти нагрузки подразделяются на статические, динамические и вибрационные. Статические нагрузки возрастают медленно и плавно и, по достижению определенного значения, их величина либо остается постоянной, либо изменяется медленно и плавно. Динамические (ударные) нагрузки действуют мгновенно, достигая сразу всей максимальной величины. Вибрационные нагрузки непостоянны по величине (импульсные), меняющие направление. По продолжительности действия нагрузки делятся на постоянные и временные. Под воздействием внешних сил или каких-либо других воздействий в древесине возникают напряжения.

Прочность. Определяется способностью древесины сопротивляться механическим усилиям (растягивающим, сжимающим, изгибающим, скалывающим и т.п.). Благодаря анизотропии ее механические свойства неодинаковы в разных направлениях. Так, прочность поперек волокон составляет 0,1–0,3 прочности вдоль волокон. Кроме того, прочность древесины существенно зависит от ее влажности, причем влияние оказывает только гигроскопичная влага, с ростом которой прочность снижается. После достижения предела гигроскопичности (точки насыщения волокон) влажность практически не влияет на прочность древесины.

Испытания древесины на прочность производятся на образцах размером 20х20х30 мм, лишенных пороков. Результаты испытаний обрабатываются методом вариационной статистики в пересчете на стандартную влажность, равную 12 %:

R₁₂ = Rw[1+α(W-12)] [МПа],

где R_w – предел прочности при влажности W, МПа; W – влажность испытуемой древесины, %; α – поправочный коэффициент на влажность, который показывает, на сколько изменяется прочность древесины при изменении влажности на 1 % (в пределах влажности от 0 до 30 %) [4].

Древесина характеризуется высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. В среднем она составляет 120 МПа, что в 2–3 раза превышает прочность при сжатии в этом же направлении. Однако прочность при растяжении поперек волокон очень мала и составляет всего 6 МПа, поэтому следует избегать таких конструктивных решений, при которых древесина работает на растяжение поперек волокон. Прочность при растяжении мало зависит от влажности, но весьма существенно изменяется у одной и той же породы в зависимости от строения и наличия пороков. Прочность при статическом изгибе также очень высока: она превышает прочность при сжатии вдоль волокон в среднем в 1,5–2 раза и составляет около 70–80 % прочности при растяжении, поэтому деревянные балки выдерживают очень большие нагрузки [5]. Прочность при скалывании имеет значение при устройстве врубок.

Коэффициент конструктивного качества (удельная прочность). Величина удельной прочности древесины при растяжении вдоль волокон приближена к сортам высокопрочной стали, следовательно, древесина по показателю коэффициента конструктивного качества конкурирует с современными конструктивными материалами.

По величине коэффициента конструктивного качества древесина опережает такие материалы как бетон, керамический и силикатный кирпич, стекло и ситаллы, металлы и сплавы, подавляющее большинство природных каменных материалов, но уступает пластмассам.

Статическая твердость. Она численно равна нагрузке, которая необходима для вдалбливания в образец половины металлического шарика радиусом 5,64 мм, что соответствует площади отпечатка шарика в 1 см². Твердость древесины по торцу на 15–50 % больше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Согласно значений показателя твердости к мягким древесным породам относятся: сосна, кедр, пихта, тополь, ель, осина, ольха; к твердым – дуб, бук, граб, береза, вяз, лиственница, клен. Твердые породы труднее обрабатываются, но обладают повышенной износостойкостью.

Жесткость. Способность древесины деформироваться под нагрузкой, характеризуется модулем упругости:

Е = R/ε [МПа],

где R – предел прочности древесины, МПа; ε – относительная деформация.

Модули упругости при сжатии и растяжении вдоль волокон одинаковы и для сосны составляют 12 300 МПа.

Кроме того, древесина стойко сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам. Это позволяет изготовлять из нее детали сложных конфигураций и надежно их соединять. В отличие от других видов строительных материалов древесина легко поддается механической обработке. Это ее свойство, а также малая масса (по сравнению, например, с железобетоном и металлом) облегчают конструирование не только простых, но и сложных изделий. Для обработки древесины не требуются большие физические усилия, при этом применяются простые инструменты. Именно поэтому дерево издревле служило материалом для возведения жилищ, изготовления орудий труда, предметов быта.