Таблица твёрдости, плотности и стабильности древесины

Твёрдость древесины зависит, что весьма логично, от породы дерева. Условно можно разделить древесину по твёрдости на 6 групп: очень мягкая, мягкая, средней твёрдости, твёрдая, очень твёрдая, твёрдая как кость. Рассмотрим данное деление на наиболее известных сортах:

• очень мягкая: верба, тополь, осина, пихта, ель, белая сосна,
• мягкая: берёза, ольха, липа, лиственница, красное дерево,
• средней твёрдости: вяз, орех, черная сосна
• твёрдая: дуб, ясень, яблоня, груша, вишня, тиковое дерево,
• очень твёрдая: дуб, граб, бук, тис, белая акация, палисандр,
• твёрдая как кость: эбонитовое дерево, кокос, гвояковое дерево.

Измерение твёрдости древесины производится в Европе и Америке по разным шкалам – Бринеллю и Янку соответственно, вот пример вариант применяемый у нас, шкала Бринелля.

Твердость древесины

Твердостью называется способность древесины сопротивляться прониканию в нее более твердых тел, а также режущих инструментов, гвоздей и шурупов.

Так как распил древесины производится тремя способами, то и твердость дерева различается в этих направлениях среза.

Выделяют следующие типы твердости по направлениям среза:

— торцовая (поперечная);

— радиальная;

— тангенциальная.

Торцевой (поперечный) распил – дерево распиливается перпендикулярно стволу и направлению волокон.

Торцевой распил древесины

Радиальный распил осуществляется вдоль ствола, по радиусу, то есть, через центр дерева.

Радиальный распил древесины

Тангенциальный распил также выполняется продольно, однако проходит вне центра, по хорде окружности, и поэтому на лицевой поверхности среза образуются своеобразные узоры из годичных колец.

Тангенциальный распил древесины

Показатель твердости лесоматериалов изменяется в зависимости от типа его распила.

Боковая твердость у хвойных пород чаще всего на 40% ниже торцовой, а у лиственных пород – на 30%. Тангенциальная твердость, например, дубовых, буковых или ильмовых лесоматериалов, выше торцевой почти на 10%. Большая часть сортов древесины имеет примерно одинаковую тангенциальную и радиальную твердости.

По степени твердости все породы древесины делятся на следующие классы:

— твердые, как кость: эбонитовое дерево, кокос;

— очень твердые: дуб, бук, белая акация, граб, тис, палисандр;

— твердые: дуб, яблоня, груша, вишня, ясень, тик;

— умеренно твердые – орех, черная сосна, вяз;

— мягкие: берёза, липа, лиственница, ольха, красное дерево;

— очень мягкие: ель, белая сосна, тополь, верба, осина, пихта;

Твердая древесина встречается обычно у лиственных деревьев с широкими плоскими листьями, опадающих осенью или весной, как например, листья дуба. Поскольку твердая древесина еще и плотнее, чем мягкая, изделия из нее прочны и долговечны, и поэтому она больше ценится в столярном деле.

Мягкая древесина – это прежде всего хвойные вечнозеленые породы, размножающиеся шишками. Поскольку такие деревья быстрее растут, то эта древесина дешевле твердой. Мягкая древесина используется в строительстве для изготовления балочных перекрытий, в мебельном производстве, является сырьем для изготовления бумаги.

Но при этом всегда необходимо помнить, что у некоторых лиственных древесина на самом деле «мягче», чем у хвойных деревьев.

Общие характеристики

Ольховые деревья и кустарники — это лиственные растения, относящиеся к семейству березовых. В природе насчитывается около 30 видов этого быстрорастущего растения. Одна из причин культивации ольхи, скорейшее образование ландшафта и создание тени. Ольха предпочитает влажные условия, растет в основном в болотах и болотистых местностях, вдоль ручьев и речек.

Деревья и кустарники являются монокультурными, поэтому на каждом растении присутствуют, как мужские, так и женские цветы. Цветы представлены в виде мужских — более длинных и женских. После опыления и созревания, женские цветки становятся древесными и несколько похожими по внешнему виду на шишки, встречающиеся на хвое. Внутри находится сухой плод, горького вкуса, с высоким содержанием белка.

Края ольхового листа зазубрены с отчетливой жилкой, проходящей вниз по центру листа и ряд более мягких боковых жилок. Листья не меняют цвет перед листопадом и опадают зелёными.

Наиболее известны три вида этих деревьев:

• красная ольха, растущая в основном в северо-западных широтах, достигает в высоту до 15 метров и живущая до 100 лет;
• черная ольха, больше известна, как европейская, достигающая в высоту 20 метров, живущая всего 20 лет;
• серая ольха много меньше своих видов, всего 5 метров в высоту, но ценящаяся за способность расти в неплодородной почве и красотой весеннего цветения.

Обычно стройное дерево, имеющее гладкую кору. От других деревьев по внешнему виду, ольху отличают раннее цветение, не меняющее цвет листья осенью (чуть скрючившиеся они опадают зелеными) и висящие зимой на ветках шишечки.

В России встречается в основном серая и черная ольха. Черную ольху называют еще клейкой. В России, Молдавии и Казахстане, черная ольха занесена в Красную книгу.

Упругость древесины

Упругостью древесины называется ее способность изменять (в известных пределах) свою форму под действием внешнего усилия и возвращаться к первоначальной форме после прекращения этого воздействия.

Упругость древесины — способность возвращаться к первоначальной форме после прекращения воздействия нагрузки

При кратковременной растягивающей нагрузке вдоль волокон древесина до определенного предела ведет себя практически совершенно упруго, в ней возникают преимущественно упругие деформации. То есть, деформация, вызванная растяжением, исчезает, как только снимается нагрузка.

Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности – модуль упругости Е – гипотетическое напряжение в Н/мм2, при котором длина испытываемого стержня увеличивается вдвое. Модуль упругости Е может колебаться в значительных пределах даже для одних и тех же пород древесины. Заметное влияние на него оказывает влажность.

Модуль упругости при растяжении и сжатии фактически одинаков, так же, как и при изгибе.

При действия усилия под углом к направлению волокон, по мере увеличения угла, модуль упругости Е уменьшается. При усилиях, действующих поперек волокон, деформации из-за трубчатого строения клеток значительно больше, чем при действии вдоль волокон, а значит, значительно уменьшается модуль упругости. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

В строительной практике устанавливается средняя величина модуля упругости Е в направлении поперек волокон, которая для хвойных пород равна 300 МПа (Н/мм2), а для лиственных – 600 МПа (Н/мм2). Следовательно, модуль упругости вдоль волокон примерно в 20 раз больше, чем поперек.

Проектировщику модуль упругости Е древесины необходимо знать при расчете конструкций по второй группе предельных состояний — состояний, при которых нарушается нормальная эксплуатация сооружений, конструкций или исчерпывается ресурс их долговечности вследствие появления недопустимых деформаций (прогибов, трещин), колебаний и иных нарушений, требующих временной приостановки эксплуатации сооружения и выполнения его ремонта. То есть, вторая группа определяется непригодностью конструкций к нормальной эксплуатации.

Возможны случаи, когда конструкция не потеряла несущую способность, т.е. удовлетворяет требованиям первой группы предельных состояний, но ее деформации, например, прогибы таковы, что нарушают технологический процесс или нормальные условия нахождения людей в помещении.

При расчете по второй группе предельных состояний определяется максимальный прогиб fmax в элементе конструкции. Как правило, это однопролетная разрезная балка постоянного сечения. Максимальный прогиб зависит от того, чем нагружена балка (сосредоточенной силой Q, распределенной нагрузкой q или моментом M), и от того, какие опоры на концах балки (подвижный или неподвижный шарнир, жесткая заделка или свободный конец), то есть, от расчетной схемы балки.

Значение максимального прогиба fmax для каждого конкретно случая можно найти в любом справочнике по строительным конструкциям. Если под рукой нет такого справочника, то значение прогиба можно рассчитать по универсальной формуле, найдя предварительно нормативное значение максимального момента Мн:

fmax = Mнl2 / 10EJx

где:

Мн — нормативное значение максимального изгибающего момента;

l — пролет балки (расстояние между опорами);

Jx — момент инерции сечения, для прямоугольного сечения равен bh3/12;

Е — модуль упругости материала конструкции.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок.

Упругие свойства древесины поперек волокон используются главным образом в сочетании с другим свойством, с его вязкостью – способностью дерева держать гвозди, костыли, шурупы. И это ценное качество дерева не удается воспроизвести ни в одном из современных материалов. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдергиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон.

С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдергивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдергивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.

Лиственница

Плотность сибирской лиственницы составляет 620-725 кг/м3 при влажности до 12%.

Лиственница – род древесных растений семейства сосновых, одна из наиболее распространённых пород хвойных деревьев. Это единственный род хвойных, у которых хвоя опадает на зиму.

Древесина лиственницы характеризуется повышенной по сравнению с дубом прочностью. Кроме особой прочности и стойкости к внешним воздействиям она характеризуется хорошим цветом и структурой.

Обладая высокими физико-механическими свойствами, вместе с тем требует определённого технологического подхода при её обработке. Пильные полотна при пилении сильно засмаливаются. Она трудно обрабатывается обычным инструментом, но хорошо шлифуется и окрашивается. Длительное воздействие воды приводит к заметному повышению твёрдости.

Стоимость изделий или конструкций из лиственницы выше, чем из сосны, но изделия значительно долговечнее.

Пластичность древесины

Пластичностью древесины называется ее способность под воздействием продолжительных нагрузок, не разрушаясь, сохранять приданную ей измененную форму, давать остаточную деформацию. Древесина лиственных пород обладает большей пластичностью, чем древесина хвойных пород.

Пластичность древесины — способность сохранять приданную ей измененную форму под воздействием продолжительных нагрузок

Пластичность можно отнести как к положительным, так и к отрицательным свойствам. Она возрастает с повышением температуры и увеличением влажности.

Достаточно большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии, при обычных температурных условиях, используется в строительстве в качестве арочных гнутых конструкций, в мебельном производстве, при производстве перил для лестниц в частных домах.

Большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии используется при производстве перил для лестниц

Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Способность гнуться выше у лиственных кольце-сосудистых 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. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации, что позволяет зафиксировать новую форму детали под нагрузкой.

Отрицательные проявления пластичности дерева сказываются главным образом на старых балочных перекрытиях больших пролетов, дающих заметное на глаз провисание иногда лишь по прошествии десятков лет. У стропильных деревянных ферм, благополучно простоявших более 100 лет, вдруг начинает наблюдаться катастрофическое нарастание прогибов из-за пластических деформаций в перенапряженных частях.

В некоторых деревянных конструкциях пластические деформации являются причиной не только традиционного провисания, но и их разрушения.

Пластические деформации — причина не только провисания, но и разрушения деревянных стропил крыши

Мебель из кедра

Кухонные гарнитуры, шкафы, буфеты, кровати, столы и стулья – из кедра делают любую мебель. Она смотрится благородно и дорого. Кедр хорошо обрабатывается, шлифуется, полируется и красится. Мебель получается крепкой и добротной. Текстура дерева легко просматривается под покрывными полупрозрачными материалами.

Кедровая мебель эксплуатируется долгие годы, в шкафах не заводится моль, не плесневеют вещи. Стоит отметить только внушительный вес мебели из кедра. Столы получаются массивными и тяжелыми. Поэтому чаще всего из материала изготавливают только столешницы.

Прочность древесины

Прочностью древесины называется ее способность выдерживать определенные нагрузки не разрушаясь. Более плотная древесина обычно является и более прочной.

Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина – анизотропный материал, то есть, материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении).

Направление нормалей для торцевого, радиального и тангенциального разрезов

• Торцевой или поперечный разрез. Нормаль — продольная ось N.
• Радиальный разрез (проходит через ось ствола). Нормаль — R.
• Тангенциальный разрез (параллельный оси ствола, проходит через касательную к кольцу поперечного сечения). Нормаль — T.

Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесенные к единице площади сечения (1см2) называют напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности.

Предел прочности определяют на малых, не имеющих пороков образцах в лабораториях на испытательных машинах.

Прочность при сжатии

Прочность при сжатии вдоль волокон

Прочность при сжатии вдоль волокон определяется на образце призматической формы. Образец размером 20 х 20 х 30мм, должен включать не менее 4-5 годичных слоев.

Образец для испытания древесины на прочность при сжатии вдоль волокон

Образец постепенно нагружают до разрушения, измеряя при этом максимальную нагрузку Рmax, H. Характерным признаком разрушения образца при сжатии является возникновение складки, образующейся в результате потери устойчивости волокон.

Характерные складки являются признаком разрушения образца в результате потери устойчивости волокон

Предел прочности σ, МПа вычисляют по формуле:

σ = Pmax/a∙b,

где Pmax — максимальная нагрузка, Н

a ∙ b – площадь сечения образца, мм2.

В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа (Н/мм 2). Или 500 кг/см2.

При работе древесины на сжатие вдоль волокон ее прочность в 2-2,5 раза ниже аналогичной прочности на растяжение.

Ясень

Плотность древесины составляет 690 кг/м3.

Ясень – род листопадных растений семейства маслиновых, который насчитывает около 70 видов. Растёт ясень одиночно или группами в смешанных лесах, часто вместе с дубом, реже с хвойными.

Это скромный сосед дуба, который почему-то не стал таким знаменитым, хотя заслуживает всяческих похвал. Не уступая ему по прочности и твёрдости, богатству текстуры, он существенно превосходит его по длительной стойкости к деформациям и ударной вязкости. Поэтому он идеально подходит для изготовления лестниц, напольных покрытий и для других деталей интерьера. В настоящее время ясень всё больше входит в моду у мебельщиков и производителей паркета. О потребительских качествах можно сказать, что ясень при стандартном уходе служит долго и не преподносит никаких сюрпризов. Стоимость изделий из него близка к стоимости изделий из дуба и бука.

Древесина ясеня, имеющая высокие физические и механические свойства, находит самое широкое применение. Из неё изготавливают облицовочный шпон, гнутую и резную мебель, перила и паркет, обшивку, рамы окон и диваны, охотничьи и боевые луки, спортивный инвентарь.

Механические свойства

Березовая древесина обладает высокой прочностью, хорошо противостоит ударным нагрузкам, раскалывается с трудом. Прочность на изгиб средняя, хорошо гнется, средняя эластичность.

Износостойкость высокая, по этим параметрам почти не уступает дубовой древесине.

Стойкость к грибковым заболеваниям и повреждениям насекомыми-вредителями невысокая. На открытом воздухе изделия из березы быстро поражаются гнилью и разрушаются. Поэтому следует проводить мероприятия по защите древесины от негативных внешних факторов, применять обработку антисептическими материалами.

Для сушки древесины березы необходимо соблюдать щадящие режимы, так как возможно коробление и растрескивание. При сушке в естественных условиях нужно пиломатериалы связывать в пакеты, что уменьшает риск коробления заготовок. Сушка в таких условиях может длится до двух лет. При этом торцы заготовок обязательно следует закрашивать известью, краской или заклеивать бумагой на клее ПВА. Это снизит растрескивание заготовок, сведет к минимуму брак.

Крепежные элементы держит хорошо, но желательно перед их применением засверливать отверстия. Хотя шуруп и легче закрутить в березовую доску, чем в дубовую, но тоже нужны большие усилия.

Пиломатериалы из берёзы

Ель

Среднее значение плотности древесины ели при стандартной влажности 12% — 445 кг/м3.

Общая площадь еловых лесов в России составляет около 70 млн. га. Живёт ель 250-300 лет.

Древесина ели белая, со слабым желтоватым оттенком, малосмолистая. Ель относится к породам малой плотности. По прочностным свойствам несколько уступает сосне. Гнётся несколько лучше, чем древесина сосны.

Ель – дерево исключительное по своим свойствам. Одним из таких свойств является музыкальность. Из ели с древнейших времён делаю музыкальные инструменты, в том числе струнные. Новгородские гусли средневековой Руси чаще всего делали из ели. Древесина мягкая, лёгкая, употребляется как строительный материал (доски, брусья), для мелких поделок, для переработки в древесную массу. Используется для производства продуктов лесохимического производства – бумага, картон, целлюлоза. Применяется также в декоративном садоводстве и паркостроении.