Механические свойства древесины

Прочность. Древесина относится к материалам средней прочности, однако, ее относительная прочность с учетом малой плотности позволяет сравнивать ее со сталью.

Древесина является анизотропным материалом, ее прочность зависит от направления действия усилий по отношению к волокнам. При действии усилий вдоль волокон, оболочки клеток работают в самых благоприятных условиях, и древесина показывает наибольшую прочность.

Средний предел прочности стандартных малых образцов чистой древесины сосны (без пороков) вдоль волокон составляет:

При растяжении – 100 МПа.

При изгибе – 80 МПа.

При сжатии – 44 МПа.

При растяжении, сжатии и скалывании поперек волокон эта величина не превосходит 6,5 МПа. Наличие пороков значительно (~ до 30%) снижает прочность древесины при сжатии и изгибе, а особенно (~ до 70%) при растяжении. Длительность действия нагрузки существенно влияет на прочность древесины. При неограниченно длительном нагружении ее прочность характеризуется пределом длительного сопротивления, который составляет только 0,5-0,6 предела прочности при стандартном нагружении. Наибольшую прочность, в 1,5 раза превышающую кратковременную, древесина показывает при кратчайших ударных и взрывных нагрузках. Вибрационные нагрузки, вызывающие переменные по знаку напряжения, снижают ее прочность.

Жесткость древесины (ее степень деформативности под действием нагрузки) существенно зависит от направления действия нагрузок по отношению к волокнам, их длительности и влажности древесины. Жесткость определяется модулем упругости Е.

Для стандартных образцов чистой древесины хвойных пород вдоль волокон Е = 11000-14000 МПа.

В СНиП II-25-80 модуль упругости для реальной древесины (с пороками, крупных размеров) любой породы Е_о = 10000 МПа, Е₉₀ = 400 МПа.

Рисунок 1.4 – Усушка древесины: 1 – усушка; 2 – растрескивание; 3 – поперечное коробление; 4 – продольное коробление

При повышенной влажности, температуре, а также при совместном действии постоянных и временных нагрузок значение Е снижается коэффициентами условия работы m_в, m_т, m_д < 1.

Влияние влажности. Изменение влажности в пределах от 0% до 30% приводит к существенному изменению прочности и модуля упругости древесины. Изменение влажности свыше 30% не приводит к снижению прочности древесины.

При снижении влажности от 30% до 0% происходит уменьшение размеров и объема древесины – усушка. Наибольшая усушка происходит в направлении поперек волокон, перпендикулярно годичным слоям. Деформации усушки развиваются неравномерно от поверхности к центру. При усушке появляется коробление и усушечные трещины.

Для сравнивания показателей прочности и жесткости древесины установлено значение стандартной влажности – 12%. Приведение предела прочности при данной влажности к пределу прочности при влажности 12% производится по формуле

В₁₂=В_W[1+α(W-12)],

где α – поправочный коэффициент, при изгибе, например, α = 0,04.

Влияние температуры. При повышении температуры предел прочности и модуль упругости снижаются, а хрупкость древесины повышается. Предел прочности древесины, s _t, при данной температуре t к прочности при стандартной температуре 20 ^оС, s ₂₀, можно пересчитать по формуле

s _t = s ₂₀ – β(t-20).

Формула действительна в пределах положительных температур от 10 ^оС до 50 ^оС. Поправочный коэффициент β зависит от породы древесины и вида напряженного состояния, например, для древесины сосны при сжатии вдоль волокон β = 3,5 МПа.