Расчетное сопротивление древесины. Свойства древесины

В этой статье:

• Практическая польза от прогулки по лесу
• Дефекты формы ствола
• Пороки строения древесины

Качество пиломатериалов зависит не только от размеров и породы дерева, соблюдения производителем всех тонкостей технологического процесса, а и от условий его произрастания. У древесины существует множество видов малоразличимых пороков развития и последствий механических повреждений, большинство из которых внешне практически незаметны (неопытному глазу, разумеется).

Любой дефект усложняет обработку, ослабляет прочностные качества дерева и изделий из него. Так какие же бывают пороки древесины и как их вовремя распознать?

Виды древесины

Дерево — универсальный материал, который легко поддается обработке и используется в разных сферах производства: строительство, изготовление мебели, посуды и других элементов быта. Область применения зависит от вида древесины с разными физическим, химическими и механическими свойствами. В строительстве особой популярностью пользуются такие хвойные породы, как ель, кедр, сосна, лиственница, пихта. В меньшей степени лиственные деревья — береза, тополь, осина, дуб, орешник, липа, ольха, бук.

Вам будет интересно:Щепетильный вопрос — что это такое?

Хвойные сорта используют в виде кругляка, бруса, досок для изготовления опорных свай, ферм, столбов, мостов, домов, арок, промышленных объектов, а также других строительных конструкций. На материалы из лиственных пород приходится лишь четверть всего объема потребления. Это связано с худшими физико-механическими свойствами лиственных лесоматериалов, поэтому их стараются применять для изготовления конструкций с незначительным несущими нагрузками. Обычно они идут на черновые и временные узлы объектов.

Применение лесоматериалов в строительстве регламентируется правилами в соответствии с физико-механическими свойствами дерева. Эти свойства зависят от влажности и наличия дефектов. Для несущих элементов влажность не должна превышать 25%, для остальных изделий таких требований не существует, но существуют нормы для конкретных пороков древесины.

Древесные материалы, которые используются для строительства дома

Перед выбором материала учитывают его цену, скорость усадки и долговечность дерева. После обработки древесина поступает в виде пиломатериалов – бревен, бруса, лафета, доски. Дорого стоят материалы ручной работы.

Древесина:

1. Бревна, прошедшие механическую обработку более долговечны, ведь с них не снимают защитный слой, находящийся под корой. Работать с пиломатериалами сложнее, они не всегда имеют ровные геометрические пропорции.
2. Оцилиндрованное бревно имеет правильную геометрическую форму. С бревен снимают 2-4 слоя древесины, ослабляя тем самым ее защитные свойства.
3. Калиброванное бревно изготавливают одинакового диаметра не менее 250 мм. Если оно будет меньших размеров, то постройку придется утеплять.
4. Массивный брус – материал сделан из сердцевины дерева, имеет квадратное или прямоугольное сечение.
5. Клееный брус – состоит из склеенных под давлением досок. Материал не поддается деформации, не ломается, не трескается. Пиломатериал имеет широкое сечение, благодаря этому не требуется дополнительно утеплять дом.
6. Лафет – материал схожий с брусом и бревном. С боковых сторон срезают древесину, получают бревно с плоскостями по бокам.

Часто при стройке дома применяют доску. Она имеет стандартную величину до 6 м, толщина до 10 см. Перед тем как выбрать доски для строительства дома, нужно осмотреть их. Они не должны быть изогнутыми, кривыми, перекрученными и растрескавшимися. Применяют доски при изготовлении балок, каркасного перекрытия, для обшивки внутри здания, для пола и отделки.

Химический состав

Вам будет интересно:Единицы измерения крутящего момента двигателей

В 99% массы древесины входят органические вещества. Состав же элементарных частиц для всех пород одинаковый: азот, кислород, углерод и водород. Они образуют длинные цепочки более сложных молекул. Древесина состоит из:

• Целлюлозы — природного полимера с высокой степенью полимеризации цепных молекул. Очень стойкое вещество, не растворяется ни в воде, ни в спирте, ни в эфире.
• Лигнина — ароматического полимера со сложным строением молекул. Содержит большое количество углерода. Благодаря нему появляется одревеснение стволов деревьев.
• Гемицеллюлозы — аналог обычной целлюлозы, но с меньшей степенью полимеризации цепных молекул.
• Экстрактивные вещества — смолы, камеди, жиры и пектины.

Большое содержание смол в хвойных деревьях консервирует материал и позволяет сохранять первоначальные свойства на протяжении долго времени, помогая сопротивляться внешнему воздействию. Низкосортные лесоматериалы с большим количеством дефектов используют в основном в лесохимической промышленности в качестве сырья для изготовления бумаги, клееной древесины или добычи химических элементов как, например, дубильные вещества, применяемые в производстве кожи.

Внешний вид

Древесина имеет следующие внешние свойства:

• Цвет. Зрительное восприятие отраженного спектрального состава света. Важен при выборе пиловочника в качестве отделочного материала.
• Окраска зависит от возраста и породы дерева, а также климатических условий, где оно выросло.
• Блеск. Способность отражать свет. Наибольший показатель отмечают у дуба, ясени, акации.
• Текстура. Рисунок, образуемый годичными кольцами ствола.
• Микроструктура. Определяется по ширине колец и содержанию поздней древесины.

Вам будет интересно:Краткая история педагогики: этапы развития, значение и цели

Показатели используют при внешней оценке качества лесозаготовок. Визуальный осмотр позволяет выявить дефекты и пригодность материалов для последующего использования.

Где применяются различные сорта дерева?

Продукция из пиломатериалов в том или ином виде имеет широкое распространение в различных сферах. Например, материалы первого сорта активно используются при строительстве кораблей и других судов.

Также имеет определенную степень использования и в авиации. Кроме того, это — отличная основа для шпона, который в конечном итоге после специальной обработки будет обладать высокими показателями качества.

Второсортные пиломатериалы нашли свое применение при строительстве барж, в отраслях машиностроения и строительной отрасли. В качестве железнодорожных шпал, специальных брусьев для удовлетворения потребностей железной дороги применяют древесину третьего сорта. Также такого рода материалы широко применимы в мебельной промышленности.

Лесной фонд России | Пиломатериал | Цены на него

stroika-uslugi.ru›Lesnoj-fond…Pilomaterial.htm Такие площади лесного фонда обусловливает производство обрезных пиломатериалов… Читать ещё

Что касается использования древесины самых низших сортов, то самым простым примером ее применения можно назвать производство мебельных изделий, специальной производственной тары. Стоимость расходов невысокая и изделия получаются в конечно итоге — относительно недорогими.

Дефекты древесины

Несмотря на явные преимущества перед синтезированными материалами, дерево, как любое природное сырье, имеет свои недостатки. Наличие, степень и область поражения регламентируется нормативными документами. К основным порокам древесины относят:

• поражение, гнилью, грибками и вредителями;
• косослой;
• смоляные кармашки;
• сучки;
• трещины.

Сучковатость снижает прочность лесоматериалов, особое значение имеет их количество, размеры и расположение. Сучки подразделяют на виды:

• Здоровые. Плотно срастаются с телом дерева и крепко сидят в карманах, не имеют гнили.
• Выпадающие. Отслаиваются и отваливаются после распиловки материала.
• Роговые. Темного цвета и имеют более плотную структуру по отношению к соседней древесине;
• Потемневшие. Сучки с начальной стадией гниения.
• Рыхлые — загнившие.

По месту положения сучки разделяют на:

• сшивные;
• лапчатые;
• заросшие;
• пасынки.

Косослой также снижает прочность древесины на изгибе и характеризуется присутствием трещин и спиральных слоев в кругляке, в пиловочном материале они направлены под углом к ребрам. Изделия с таким дефектом относятся к низкосортным, используются исключительно в качестве временных укреплений.

Причины появления трещин зависят от внешних условий и породы древесины. Образуются они в результате неравномерного высыхания, морозов, механических нагрузок и многих других факторов. Появляются они как на живых деревьях, так и на спиленных. В зависимости от положения на стволе и формы, трещины называют:

• морозобойными;
• серницей;
• метиками;
• усушечными.

Трещины не только снижают качество древесины, но также способствуют быстрому гниению и разрушению волокон.

Гниль образуется вследствие заражения гнилостными и другими видами грибков, которые появляются на растущих и спиленных деревьях. Грибы, обитающие на живых стволах, являются паразитирующими, которые поражают годовые кольца и вызывают их отслаивание. Другие виды селятся уже на готовых конструкциях и вызывают гниение, расслаивание, растрескивание.

Причиной появления вредоносных организмов является благоприятная среда для их размножения: влажность более 50% и тепло. На хорошо просушенных лесоматериалах микроорганизмы не развиваются. К особой категории вредителей следует отнести насекомых, которые предпочитают селиться в деревянных конструкциях, делая ходы в них, тем самым повреждая волокна и снижая их прочность.

Практическая польза от прогулки по лесу

Профессионалы знают, как проявляются пороки древесины, и способны еще до рубки дерева дать оценку его качеству методом индивидуальной таксации. Такая оценка нужна для предварительных расчетов по следующим вопросам:

• каким будет выход качественного сырья;
• на какой высоте ствол будет перепилен на отдельные части;
• размеры отдельных отрезов, их практическое применение и т.д.

Например: таксируемый ствол сосны диаметром в 28 см на высоте 1м от земли имеет комлевую гниль. На высоте 1-7,5 м на стволе отсутствуют сучья, и древесина выглядит здоровой. На высоте 9,5 м находится сосновая губка (грибковое поражение), от которой расходится стволовая гниль на 0,5 м вверх и 1,5 м вниз по стволу. На отрезке от 9,5 м до 15,5 м имеются лишь мертвые наружные сучья, а сама древесина выглядит здоровой.

Результаты таксации:

• метровый комлевый слой используется на дрова;
• 6,5 м – первосортный пиловочник;
• 2м – пересорт (неизвестно, насколько глубоко поражение гнилью);
• последние 6м – могут быть использованы как рудстойка.

Влажность древесины

Один из важных показателей для нормативного и расчетного сопротивления древесины. Он влияет на процентное содержание воды в волокнах ствола. Влажность — процентное отношение массы влаги к сухому материалу. Формула расчета выглядит так: W = (m–m0)/m0 * 100, где m — исходная масса заготовки, m0 — масса абсолютного сухого образца. Определяют влажность двумя способами: путем высушивания и с помощью специальных электронных влагомеров.

По влажности древесину разделяют на несколько видов:

• Мокрая. С содержанием влаги более 100%, что соответствует длительному нахождению в воде.
• Свежеспиленная. С содержанием от 50 до 100 %.
• Воздушно-сухая. С содержанием воды в волокнах в диапазоне от 15 до 20 %.
• Комнатная-сухая. С содержанием влаги от 8 до 12 %.
• Абсолютно сухая. С 0 % содержанием воды, получаемая путем сушки при температуре в 102°.

Вам будет интересно:Что такое «сижки», откуда появились и где используются?

Вода находится в дереве в связанном и в свободном виде. Свободная влага находится в клетках и межклеточном пространстве, связанная — в виде химических связей.

Влияние влаги на свойства древесины

Выделяют несколько видов свойств, зависящих от содержания влаги в древесной структуре:

• Усушка — уменьшение в объеме волокон древесной массы при удалении из них связанной воды. Чем больше волокон, тем больше влаги связанного типа. Удаления влаги такого эффекта не дает.
• Коробление — изменение формы лесоматериалов в процессе высушивания. Происходит при неправильной сушке или распиловке бревен.
• Влагопоглощение — гигроскопичность дерева или способность впитывать влагу из окружающей среды.
• Разбухание — увеличение в объеме древесных волокон при нахождении материала во влажной среде.
• Водопоглащение — способность древесины увеличивать собственную влажность путем впитывания капельной жидкости.
• Плотность — измеряется как масса на единицу объема. С повышением влажности увеличивается плотность, и наоборот.
• Проницаемость — способность пропускать через себя воду под большим давлением.

После сушки дерево теряет свою природную эластичность и становится более твердым.

Альтернативные топочные материалы

Теплотворность дров определенных пород достаточно велика, но далеко не максимально возможная. Для того чтобы сэкономить средства и площадь для хранения топочного материала сегодня все больше внимания обращается на альтернативные варианты. Оптимальным является использование прессованных брикетов.

Эффективность использования брикетов превосходит дрова в несколько раз

При одинаковых объемах загрузки печи прессованная древесина вырабатывает гораздо больше тепла. Такой эффект возможен за счет увеличения плотности материала. К тому же здесь гораздо более низкий процент влажности. Еще один плюс — минимальное образование золы.

Брикеты и пеллеты изготавливаются из опилок и древесной крошки. За счет прессования отходов удается создать невероятно плотный топочный материал, с которым не смогут сравниться даже самые лучшие сорта древесины. При большей стоимости за кубометр брикетов, итоговая экономия может составить весьма значительную сумму.

Готовить и закупать топочные материалы необходимо на основании тщательного анализа их свойств. Только качественные дрова способны обеспечить вас необходимым жаром, не принеся вреда ни вашему здоровью, ни самой отопительной конструкции.

Твердость

Коэффициент твердости определяют с помощью метода Бринелля или теста Янки. Их принципиальное отличие заключается в методике измерений. По Бринеллю шарик из закаленной стали устанавливают на ровную, деревянную поверхность и прикладывают к нему 100 килограмм-силы, после замеряют глубину полученной лунки.

В тесте Янки используют шарик диаметром 0,4 дюйма и измеряют, какое количество силы в фунтах нужно приложить, чтобы вдавить шарик в дерево на половину диаметра. Соответственно, чем выше полученный результат, тем тверже дерево и больше коэффициент. Однако в пределах одного сорта показатели отличаются, которые зависят от способа распила, влажности и других факторов.

Ниже приведена таблица твердости древесины по Бринеллю и Янки для наиболее распространенных пород.

Из таблицы твердости древесины видно, что:

• осина, ель пихта, сосна — очень мягкие деревья;
• береза, липа, ольха и лиственница — мягкие породы;
• вяз и орех обладают средней твердостью;
• дуб, яблоня, вишня ясень, груша и имеют коэффициент обычной твердости;
• бук, белая акация и тис относятся к очень твердым сортам.

Твердая древесина обладает стойкостью к механическим воздействиям и используется для ответственных узлов деревянных конструкций.

Выбор материала

Даже самые высокие качества древесины могут быть сведены на нет, если ее подобрать неверно с учетом конкретного вида деятельности. Например, практически не имеет значения что использовалось для ночного костра при посиделках с друзьями. Совершенно другое дело — растопка камина или печи в бане.

Рекомендуем прочитать материал о том, где хранить дрова в дополнение к данной статье.

Для каждой ситуации подбираются разные по толщине, породе и свойствам материалы

Для камина

Отопление дома может стать проблемой, если загрузить в печь неподходящие дрова. Особенно это опасно при использовании камина, так как искрящееся бревно может привести даже к пожару.

Ненавязчивое горение дров и жар, исходящий от камина — это изюминка гостиной комнаты

Для долгого горения и выделения большого количества тепла стоит отдавать предпочтение дубу, акации, а также березе и ореху. Для прочистки дымохода время от времени можно жечь осину и ольху. Плотность у этих пород небольшая, зато они обладают свойством выжигать сажу.

Для бани

Для обеспечения высокой температуры в парилке бани необходима максимальная теплоотдача дров. Кроме того, можно улучшить условия отдыха, если использовать такие породы, которые насыщают комнату приятным запахом, без выделения вредных веществ и смол.

Про

Плотность

Плотность напрямую зависит от содержания влаги в волокнах. Поэтому для получения однородных показателей измерений, ее высушивают до уровня 12 %. Увеличение плотности древесины приводит к увеличению ее массы и прочности. По влажности лесоматериал делят на несколько групп:

• Породы с наименьшей плотностью (до 510 кг/м3). К ним относят пихту, сосну, ель, тополь, кедр, иву и орех.
• Породы со средней плотностью (в диапазоне 540-750 кг/м3). Сюда относят лиственницу, тис, вяз, березу, бук, грушу, дуб, ясень, рябину, яблоню.
• Породы с высокой плотностью (более 750 кг/м3). В эту категорию входят береза и акция.

Ниже приводится таблица плотности для разных пород деревьев.

Наименьшую плотность имеют хвойные породы, наибольшую, наоборот, лиственные виды.

Кедровая (сибирская) сосна

В использовании понятия «кедр» почти всегда возникает неточность. На территории России биологический род Кедр (Cedrus) точечно произрастает только в Крыму. Дерево имеет раскидистую крону, совсем не корабельный ствол, и шишек кедровых в нашем понимании у него нет (шишки мелкие и для человека несъедобные). А то, что принято считать кедром — на самом деле сосна сибирская кедровая, другой биологический род.

Древесина сибирской сосны (кедровой) сосны — лидер по всем параметрам, кроме цены. Древесина кедровой сосны — лидер по пластичности, она мягкая, ее легко обрабатывать, но при этом прочная. Высокая стойкость к гниению, не подвержена заражению насекомыми. Древесина мало деформируется, трещин на ней намного меньше, чем в сосновой, устойчива к перепадам температуры и влажности. Кедровая сосна обладает низкой теплопроводностью, отличными теплоизолирующими свойствами. В кедровом доме обеспечен здоровый микроклимат: кедровая сосна — природный антисептик.

Объемный вес при влажности 12% — около 580 кг/м3 — древесина легче, чем лиственница, сравнима или чуть тяжелее сосны.

Единственным существенным недостатком кедра является его высочайшая стоимость.

Стабильность

Расчетное сопротивление древесины включает в себя такое понятие, как стабильность к воздействию влаги. Степень измеряется по пятибалльной шкале при изменении влажности воздуха:

• Нестабильность. Появляется значительная деформация даже при незначительном изменении влажности.
• Средняя стабильность. Появляется заметная степень деформации при небольшом изменении влажности.
• Относительная стабильность. Появляется легкая степень деформации при небольшом изменении влажности.
• Стабильность. Отсутствует видимая деформация при небольшом изменении влажности.
• Абсолютная стабильность. Абсолютно отсутствует деформация даже при большом изменении влажности.

Ниже приведена таблица стабильности распространенных пород древесины.

Наименование породы	Степень стабильности
Акация	2
Береза	3
Береза карельская	3
Бук	1
Вишня	4
Вяз	2
Груша	2
Дуб	4
Ель	2
Кедр	4
Клен европейский	2
Клен канадский	2
Клен полевой	1
Лиственница	2-3
Ольха	1
Орех американский	4
Орех бразильский	2
Орех грецкий	4
Орех европейский	4
Орех испанский	3
Осина	1
Пихта	2
Тополь	1
Черемуха	1
Черешня	2
Яблоня	2

Показатели рассчитаны для древесины влажностью 12 %.

Механические характеристики

Качество древесины определяется по следующим показателям:

Вам будет интересно:Стерлитамакский политехнический колледж: адрес, специальности, условия поступления

Постоянные нагрузки постепенно ухудшают свойства древесины и приводят к усталости материала. Даже самое прочное дерево не способно противостоять внешнему влиянию.

Какую древесину лучше выбрать для строительства дома

Древесину для дома выбирают по отличию материалов и пород деревьев. Часто используют сосновые виды. Ель и сосна схожи по своим свойствам, еловая древесина более рыхлая, чем сосна, но она лучше сохраняет тепло. Ценят из-за характеристик лиственницу. Этот материал более прочный по сравнению с сосной. Дерево не гниет даже в воде. Отмечают высокую огнеупорность породы и долговечность. Сруб из кедра и лиственницы простоит без ремонта не менее полвека.

Среди лиственных пород нужно отметить дуб, который не имеет недостатков, он долговечен в эксплуатации. Эта порода дерева не поддается воздействию влаги и превосходит по прочности все остальные виды.

Нормативные характеристики

Показатели нормативного сопротивления необходимы для изготовления разного вида конструкций. Древесина считается пригодной, если показатели не ниже расчетных величин. В испытаниях используют только стандартные образцы с влажностью не выше 15 %. Для древесины с другим значением влажности используют специальную формулу расчетного сопротивления, далее показатели переводят в стандартные значения.

При проектировании деревянных конструкций важно знать фактические значения прочности исходного материала. В реальности они меньше нормативных, получаемых на тестовых образцах. Эталонные данные получают путем нагружения и деформации образцов стандартных размеров.

Расчетные характеристики

Расчетное сопротивление древесины — это напряжения в разных плоскостях деревянных образцов, создаваемые определенными нагрузками, которые дерево может выдерживать любое количество времени до полного разрушения. Эти показатели отличаются для растяжения, сжатия, изгиба, скалывания и смятия.

Фактические показатели получают путем умножения нормативных данных на коэффициенты условия работы.

На условия работы влияет целый список факторов. Приведенные выше коэффициенты учитывают такие факторы. Любое воздействие влаги на конструкции приводит к снижению конечных показателей.