Древесина как лесоматериал или пиломатериал. Валка леса, формование и классификация бревен 2 глава

ДЕФОРМАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ

Деформации: деформации — при этом также говорят о покоробленной или перекошенной древесине — это простое или многократное искривление сортимента в продольном направлении. Узкая сторона пиломатериала может иметь продольную деформацию, доска и брусок могут быть искривлены по ширине, то есть быть выпуклыми или вогнутыми. Пиломатериал в продольном направлении может быть изогнут спирально или в форме пропеллера, при этом говорят о покоробленной древесине. Покоробленности вызываются большим количеством причин, например: неравномерная усушка, напряжения усушки, дефекты штабелирования и косослойность. Покоробленность может привести к большим потерям материала при обработке или сделать древесин у непригодной для предусмотренного использования. К тому же нужно учитывать, что коробление после обработки пиломатериала в конечное изделие может продолжиться или начаться заново (рис. 2.59).

ОБЗОЛ И ПРИЗНАКИ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗРЕЗА Обзол: это оставшаяся на обрезанном пиломатериале часть поверхности ствола; кромки сортимента при этом неострые. Влияние обзола на несущую способность строительной древесины незначительно, но площадь опоры все же может быть уменьшена. Для некоторых видов соединения древесины наличие обзола может вызвать определенные проблемы. Поэтому наличие обзола является одним из важных признаков качества и играет существенную роль при измерении ширины досок и брусков (рис. 2,60 и 2.61).

ПРИЗНАКИ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗРЕЗА

При распиловке бревна могут возникать неравномерности. Речь идет о следах, оставляемых зубьями пилы на поверхности, прежде всего о выпрямленных волокнах древесины, которые классифицируются по глубине и шероховатости. Кроме этого, пиломатериал может быть распилен неплоско, то есть быть ребристым, волнистым или изогнутым. При неравном ерностях сортимента необходимо обращать внимание на то, что заданная толщина обрабатываемого изделия может быть получена только из сортимента с большей номинальной толщиной.

ЗАДАНИЯ

1. Требуется рассчитать объем бревт ia. Объясните порядок расчета и расскажите, какие измерения для этого необходимы.

2. Нарисуйте эскиз поперечного сечения боковой доски с указанием годичных колец и покажите левую и правую стороны.

3. Представьте порядок расчета площади необрезанной доски.

4. Объясните, как рассчитывается объем необрезанных толстых досок и брусков.

5. Объясните, почему при выборе древесины должна учитываться сучковатость.

6. Объясните различие между косослойностью и неравномерной косослойностью и расскажите об их влиянии на сортимент.

7. Расскажите на i [римерс, какие трудности могут возникнуть при обработке засмоленной древесины.

2.6. Свойства древесины

Для того чтобы научиться выбирать древесину в качестве материала для различных целей применения, необходимо ознакомиться с ее физическими свойствами, а также свойствами, характеризующими внешний вид древесины различных пород.

2,6.1. Свойства, характеризующие внешний вид древесины

Свойства, характеризующие внешний вид древесины, воспринимаются органами чувств. Для древесины речь идет о текстуре, цвете, блеске и запахе.

Текстура, также называемая рисунком или узорчатостью, зависит от структуры и естественной разницы окраски древесины. Под структурой понимают расположение годичных колец и волокон древесины заболони и ядровой древесины, пор, сердцевинных лучей, а также свилеватость и торцовую структуру. Например, говорят о полосчатой, свилеватой, поперечной, пирамидальной, витиеватой или муаровой тскстурс (рис. 2.62).

Естественный цвет древесины .зависит в основном от красящих компонентов древесины, которых, как правило, в ядре содержится больше, чем в заболони. Цвет часто определяет ценность и применение древесины. Изменение цвета возможно, например, под влиянием солнечного света и кислорода, содержащегося в воздухе. Окраску древесины могут также изменять грибы.

Естественный блеск поверхности древесины проявляется при поперечной, радиальной или поперечно-слоистой распиловке, ненормальном рас- j юложении волокон, как, например, j 1ри задержанном росте, повышенном количестве содержащихся в клетке веществ, которые усиливают блеск. Естественный блеск с развитием техники обработки поверхности почти утратил свое исходное значение.

Запах древесины зависит от легколетучих веществ, особенно от эфирных масел, таких, как, например, скипидар, кедровое и сандаловое масло. Многие породы древесины обладают характерным запахом, который становится особенно ощутимым во время обработки. Запах дрсиесины определенных порол при обработке может привести к головной боли, слабости и потере сознания (рис. 2.63).

2.6,2, Плотность и условная плотность

Условная плотность — это отношение массы древесины к объему древесины без учета объема клеточных полостей. Вещество древесины состоит для всех пород деревьев из одних и тех же компонентов. Поэтому для всех пород древесины условная плотность чистого древесного вещества имеет одинаковое значение. Оно составляет 1,56 г/см³.

Плотность — это отношение массы к объему с учетом объема клеточных полостей (пор). Влажность древесины существенно влияет на ее плотность. Как правило, значения плотности берутся из соответствующих таблиц, в которых плотность указывается для соответствующего содержания влаги (рис. 2,64, табл. 2.7).

Свойства древесины очень сильно зависят от ее плотности. Она особенно влияет на прочность, твердость, износ, а также обрабатываемость и высушивание.

2.6.3. Прочность

Под прочностью понимают внутреннее сопротивление древесины действующей извне силе. В зависимости от вида нагрузки различают прочность на разрыв, прочность на сжатие, прочность при изгибе, прочность на срез, прочность па скручивание, прочность на продольный изгиб и сопротивление раскалыванию. Прочность зависит от породы древесины, свойств древесины и содержания влаги.

Прочность древесины на разрыв для мебели или внутренней отделки имеет небольшое значение. Различают продольную и поперечную нагрузку. Поперечная прочность на разрыв, то ссть прочность на разрыв в направлении поперек волокон, составляет всего лишь 5—10% от прочности вдоль волокон (табл. 2.8, рис. 2.65). Столь сильная зависимость от направления нагрузки ведет к тому, что сучки, косослойность, трещины и другие дефекты значительно снижают прочность древесины. Прочность древесины на разрыв определяется по DIN 52188.

Прочность древесины на сжатие - это степень сопротивления древесины против сжимания. Испытание для определения прочности на сжатие производится по DIN 52185. Прочность на сжатие бывает продольной и поперечной. В направлении параллельно волокнам древесина имеет прочность на сжатие в 5—8 раз большую, чем в направлении поперек волокон (табл. 2.8, рис. 2.66).

Прочность на сжатие при столярных работах может не учитываться. Но в случае применения прессов и тисков могут остаться отпечатки (рис. 2.67). Их возникновение можно предотвратить применением плоских подкладок. Вдавленные места могут быть выправлены обратно с помощью теплой чистой воды.

Прочностьприизгибе (несущая прочность) имеет особое значение для тонких, длинных и плоских встроенных элементов. Элемент сгибается в случаеприложения нагрузки в месте, отличном от места закрепления, как, например, полочная доска, сиденье скамьи, доски пола, стоячие вешалки и откидные крышки (рис. 2.68).

Прочность древесины на изгиб определяется по DfN 521Н6. Обычно она тем выше, чем больше плотность и тем меньше, чем выше содержание влаги в древесине. Наклон волокон и сучки снижают прочность на изгиб (табл. 2.8).

Прочность на срез — это сопротивление действующей извне силе, которая пытается сдвинуть по определенной плоскости (плоскости среза) одну часть материала относительно другой части. В этой плоскости образуется напряжение среза. Различают прочность на срез параллельно волокнам и перпендикулярно волокнам (рис. 2.69).

Прочность на срез параллельно волокнам имеет место при заклинивании, шиповом соединении, соединении в четверть и креплении раскосами (соединении врубкой) (рис. 2.69 и 2.70). Напряжения на срез также появляются в процессе обработки древесины, например при распиливании, долблении и обработке напильником. Прочность на срез в направлении параллельно волокнам очень мала (табл. 2.8).

Прочность на срез в направлении перпендикулярно волокнам необходима прежде всего для различных видов деревянных соединений, па- пример соединение в шип, шпоночное соединение.

Чистая нагрузка на срез встречается редко, чаще всего изделие одновременно подвергается изгибу и растяжению или сжатию.

Испытание для определения прочности на срез производится по DIN 52187.

Под прочностью на скручивание (кручение) понимают сопротивление древесины против скручивания вокруг продольной оси волокон. Часто древесина только скручивается. При этом ослабляется строение древесины, но это не приводит к немедленной поломке. Прочность на скручивание зависит от породы древесины, ее плотности и влажности. Напряжению скручивания, например, подвергаются деревянные детали, обрабатываемые на токарном станке, или ножки стула при повороте тела во время сидения (рис. 2.71).

Прочность на продольный изгиб должна учитываться тогда, когда тонкие деревянные конструкции нагружаются давлением по их продольной оси (рис. 2.72). То есть прочность на продольный изгиб — это особый случай прочности на сжатие. Если строительные конструкции, например стойки, колонны, столбы, штанги, бруски или ножки мебели, слишком сильно нагружены по длине, то они изгибаются в самую слабую сторону. Прочность на продольный изгиб зависит от длины и толщины конструктивного элемента, при этом отношение длины к минимальной толщине обозначается как гибкость балки.

Деформация при продольном изгибе (выпучивание) зависит от гибкости изделия, породы древесины, формы поперечного сечения, а также от крепления обоих концов стержня.

Сопротивление раскалыванию — это сопротивление древесины против разделения своей структуры при введении клина в направлении волокон. При раскалывании трещина проходит по направлению клина. Обычно древесина раскалывается в радиальном направлении легче, чем в тангенциальном. Поперек волокон древесину расколоть нельзя. Незначительное сопротивление раскалыванию имеют ель, сосна, лиственница, дуб, ясень, лесной бук и ольха. Высокое сопротивление раскалыванию имеют клен, береза, вяз, тополь, липа, конский каштан, граб и фруктовые деревья. Хорошо раскалывающуюся древесину применяют для производства кровельной драни, бочарных клепок, колесных спиц, перекладин и весел (рис. 2.73).

Колотая древесина имеет следующее достоинство: ее поверхность проходит параллельно волокнам, поэтому на поверхности имеется мало разрезанных волокон, что положительно сказывается на несущей способности (например, перекладин) и на проникновении жидкости (вода для весел).

2.6,4. Твердость, пластичность, упругость и гибкость

Твердость - это сопротивление, которое оказывает древесин!а проникновению индентора (твердое малодеформирующееся тело для определения твердости материала методом вдавливания) в свою поверхность, или сопротивление истиранию. Твердость и сопротивление износу тем выше, чем больше плотность и ниже содержание влаги (рис. 2.74).

Обычно древесину разделяют па мягкую и твердую. На практике часто используется градация твердости древесины в соответствии с табл. 2.9. Более точным распределением, однако, является то, которое выражено числовыми значениями, то сеть указанное в табл. 2.8.

Пластичность: под пластичностью понимают способность древесины сохранять вызванное внешним воздействием изменение формы даже после снятия нагрузки. Таким свойством обладают заболонь орехового дерева и березовая древесина. Благодаря пропариванию, провариванию и сильному нагреву древесина становится временно пластичной и может изменять форму. Поэтому из пропаренной древесины бука лесного, а также из непро- паренной древесины березы производятся изогнутые части мебели. Предел пластичности или гибкости достигается тогда, когда древесина начинает ломаться (рис. 2.75).

Упругость: древесина является упругой, если после устранения изгибаю nie го усилия пружинит и принимает первоначальную форму. Предел упругости достигается тогда, когда при изгибе появляется сохраняющееся изменение формы. Поэтому упругость и гибкость не одно и то же. Упругость зависит от породы древесины, ее плотности, влажности и температуры древесины, а также ее текстуры и содержания древесных компонентов. Очень упругой является, например, древесина ясеня, карии, бука и лиственницы. Упругая древесина часто применяется при изготовлении спортивных снарядов, мебели для сидения, а также в транспортостроении (рис. 2.76).

Гибкость — это изменение формы древесины под влиянием силы, действующей вне плоскости. Сгибание изогнутых деревянных частей происходит, как правило, при помощи пара и давления прессования. После охлаждения и сушки древесины изогнутое изделие незначительно разгибается обратно до тех пор, пока не будет достигнут определенный радиус изгиба. Это приводит к поломке в том случае, когда действующее извне усилие сжатия или растяжения превышает пределпрочности при изгибе древесины: изделие ломается в зоне растяжения или сжатия. В зоне сжатия разлом проявляется как сплющивание волокон древесины (рис. 2.77).

2.6.5. Проводящая и звукоизоляционная способность

Теплопроводность древесины зависит прежде всего от ее плотности и содержания влаги. Из-за своей пористой структуры древесина по сравнению с другими материалами проводит тепло от одной поверхности до другой достаточно плохо. Сухая древесина имеет высокое термическое сопротивление и поэтому является плохим проводником тепла (см. табл. 10.3). Поэтому древесина может использоваться для выполнения теплоизоляционных функций (рис. 2.78).

Обычно теплопроводность древесины увеличивается с увеличением ее плотности и влажности.

Электропроводность древесины зависит в основном от влажности. Только абсолютно сухая древесина имеет столь высокое сопротивление, что ток не может протекать вообще. С увеличением содержания связанной воды электропроводность увеличивается почти равномерно до насыщения волокон. Если количество воды превышает предел насыщения, то электропроводность увеличивается лишь незначительно. На зависимости электропроводности от содержания воды в древесине основан принцип действия специального прибора — электрического влагомера для древесины (рис. 2.79).

Звукоизоляционная способность древесины из-за ее сравнительно малого веса и жесткости при изгибе растущего дерева является относительно небольшой. Из-за своей почти закрытой поверхности и незначительной глубины пор древесина не обладает звукопоглощающими свойствами. Попадающие на поверхность древесины звуковые волны большей частью отражаются от нее. Древесина в основном используется в виде тонкого материала пластинчатой формы, из которого все же можно изготовить звукоизолирующие и звукопоглощающие конструкции (рис. 2.80).

Скорость распространения звуковых волн составляет в направлении вдоль волокон в зависимости от породы древесины от 2500 до 6000 м/с. Это почти в два раза больше скорости распространения поперек волокон. Поэтому корпусный (механический) шум хорошо переносится древесиной. Это свойство для звукоизоляционных конструкций является неблагоприятным, но при применении древесины в качестве материала для изготовления музыкальных инструментов дает определенные преимущества.

2.6.6. Работа древесины

Древесина является гигроскопичной, то есть она может впитывать и отдавать влагу. Впитывание и отдача влаги начинаются тогда, когда нарушается равновесие между содержанием влаги в древесине и влажностью воздуха, то есть имеется перепад влажности (рис. 2.81). При изменении уровня содержания влаги в древесине при определенных условиях меняется форма и объем древесины, древесина дает усадку или разбухает, коробится или вытягивается, растрескивается. Эти процессы называют «работой» древесины.

В древесине содержится влага, вода, в полостях клеток — так называемая свободная вода, и в клеточных стенках — так называемая связанная вода. При сушке древесиньг сначала испаряется свободная вода, потом связанная (рис. 2.82). Свободная вода испаряется относительно быстро, связанная — достаточно медленно. Влагопереда- ча при этом основывается на целом комплексе физических процессов, таких, как, например, диффузия и испарение.

2.6.6.1. Направление и величина усушки

При отдаче влаги в пределах диапазона насыщения уменьшаются размеры и объем древесины; этот процесс называется усушкой, обратный процесс — разбуханием.

Отдача воды из внешних клеток происходит быстрее, чем из внутренних. Бедные смолой участки древесины, заболонь и верхняя часть ствола отдают воду быстрее, чем богатые смолой участки древесины, ядро и нижняя часть ствола. Выделение воды происходит тем быстрее, чем больше перепад влаги между древесиной и окружающим воздухом.

Во время испарения свободной воды размеры и объем древесины не изменяются. Волокна и клеточные стенки к этому моменту еще насыщены. Поэтому говорят о насыщении волокон. Насыщение волокон отличается у отдельных пород, а также частей ствола; для важнейших пород древесины значение насыщения лежит в диапазоне влажности древесины от 23 до 35%. Поэтому речь идет о

диапазоне насыщения волокон (табл. 2,10).

Уже во время испарения свободной воды при определенном перепаде влажности между влажной древесиной и сухим окружающим воздухом начинается испарение связанной воды. При этом объем древесины уменьшается, древесина дает усушку (рис. 2.82). Усушка начинается около предела насыщения, то есть около 30% влажности древесины, и продолжается до тех пор, пока влажность древесины не составит 0%, то есть древесина не станет абсолютно сухой.

Различают три направления усушки древесины: продольное (вдоль волокон), радиальное (по направлению серд1 овинных лучей) и тангенциальное (в направлении годичных колец).

В направлении вдоль волокон усушка составляет от 0,1 до 0,3%, в направлении сердцевинных лучей — около 5% и в направлении годичных колец — около 10% (рис. 2.83). Для одной и той же породы древесины эти значения все же могут существенно отличаться от этих средних значений.

В табл. 2.11 приведены средние значения коэффициентов усушки в процентах на каждый процент изменения влагосодержания.

Усушка по ширине становится заметной даже на профессионально изготовленных столярных изделиях. Например, соединенные по кромке наличники могут выступить вперед, широкий средник филеночной (рамочной) двери торцами может не подойти вертикальной обвязке.

Для простоты на практике пределом насыщения волокон обозначают влажность древесины в 30%.

Из-за усушки изменяется не только объем древесины, но и ее форма. Изменение формы зависит от расположения годичных колец на поперечном сечении. Клетки ранней древесины годичного кольца имеют большие размеры и более тонкие клеточные стенки. По этой причине они накапливают больше свободной воды и меньше связанной воды, чем мелкие клетки поздней древесины со своими толстыми клеточными стенками. Поэтому клетки ранней древесины отдают по сравнению с поздней древесиной больше свободной воды и меньше связанной. В связи с этим усушка ранней древесины меньше, чем поздней.

В радиальном направлении встречающиеся при усушке поздней древесины сильные напряжения лишь частично передаются тонкостенной ранней древесиной в следующий слой поздней древесины, В тангенциальном направлении ранняя и поздняя древесина может более или менее двигаться. Поздняя древесина сильно стягивается при усушке, граничащие с ней клетки ранней древесины приспосабливаются к изменению объема и формы поздней древесины таким образом, что форма клеточных оболочек ранней древесины существенно меняется. Такое изменение формы клеточных оболочек ранней древесины служит причиной лишь незначительной усушки и разбухания в радиальном направлении и сильной усушки и разбухания в тангенциальном направлении.Усушка особенно заметна на поперечном сечении как усушка по толщине и по ширине, как изменение формы и растрескивание, это так называемые трещины усушки (рис. 2,Н4).

Чем меньше древесина «работает», тем лучше ее выносливость и постоянность размеров и формы.

По значениям коэффициентов усушки (табл. 2.11) может быть рассчитана величина усушки при влагоотдаче древесины и величина разбухания при влагопоглощении.

Устойчивость древесины или деревянной конструкции к изменению формы и размера может быть достигнута или улучшена с помощью правильного выбора древесины и сушки древесины до необходимого содержания влаги, с помощью правильного склеивания поверхностей массивной древесины и применением подходящих конструкций и блокировки древесины.

При выборе древесины можно учитывать ее свойство сохранять размеры и форму в не-ременном климате, подбирая породы древесины, имеющие хорошую формо- устойчивость. Это могут быть, например, груша, ольха, орех, афцелим и тик (см. таблицы гл. 15). Доски и брусья с поперечными годичными кольцами по сравнению с продольным расположением колец деформируются значительно меньше.

Перед обработкой древесина должна быть высушена до такого влагосодержания, которое она будет иметь на месте применения.

Поверхности массивной древесины следует склеивать по ширине таким образом, чтобы они были склеены оборотными сторонами и ядро было склеено с ядром, а заболонь — с заболонью. При таком способе склеивания поверхности остаются прямыми (см. гл. 4.4.2 «Сплачивание»). При склеивании элементов большой толщины швы остаются сомкнутыми, если склеивание производится по левым сторонам (рис. 2.85). При изготовлении выдвижного я□ дека шов при высыхании декоративной накладной панели остается закрытым, если она приклеена к передней панели ящика левой стороной (рис. 2.85).

Благодаря применению подходящих конструкций можно преодолеть проблему изменения объема древесины при изменении влажности так, что она не будет являться препятствием или ограничением в эксплуатации мебели или строительных конструкций. Примерами таких конструкций служат рамы и филенки, соединения врубкой (рис. 2.85), а также шпунтовое соединение и соединение вставным шипом. Дверная филенка и плинтус должны быть изготовлены и установлены таким образом, чтобы при усушке древесины облицовка или плинтус притягивались к стене (рис. 2.85).

Меры, направленные против изменения объема древесины при изменении содержания в ней влаги, применяются также при склеивании фанеры (при изготовлении клееной фанеры), разрезании древесины на планки и бруски и их блокировании подоблицовочным (упрочняющим) слоем фанеры.

ЗАДАНИЯ

1. Объясните, почему для древесины различают плотность и условную плотность.

2. В зависимости от применения древесина должна выдерживать различные нагрузки. Опишите различные виды нагрузок с помощью примеров.