Механические свойства древесины

    Вертикальные статические нагрузки - это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, ее определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па (Паскаль) - 1 Н (Ньютон) на 1 м² поперечного сечения образца в месте разрушения.
    Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангентальном направлении.
    По направлению действия силы (нагрузок) различают прочность древесины на сжатие, изгиб, скалывание, растяжение. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в таблицах.

Основные технические свойства различных древесных пород

Порода дерева	Коэффициент усушки, %		Механическая прочтонсть для древесины с 15%-ной влажностью, МПа
	в ради-альном направ-лении	в танген-тальном направ-лении	на сжатие вдоль волокон	на изгиб	скалывание
					в ради-альной плоскости	в танген-тальной плоскости
Хвойные древесные породы
Сосна	0,18	0,33	43,9	79,3	6,9	7,3
Ель	0,14	0,24	42,3	74,4	5,3	5,2
Лиственница	0,22	0,40	51,1	97,3	8,3	7,2
Пихта	0,9	0,33	33,7	51,9	4,7	5,3
Твердолиственные древесные породы
Дуб	0,18	0,28	52,0	93,5	8,5	10,4
Ясень	0,19	0,30	51,0	115	13,8	13,3
Береза	0,26	0,31	44,7	99,7	8,5	11
Клен	0,21	0,34	54,0	109,7	8,7	12,4
Ильм	0,22	0,44	48,6	105,7	-	13,8
Вяз	0,15	0,32	38,9	85,2	7	7,7
Мягколиственные древесные породы
Осина	0,2	0,32	37,4	76,6	5,7	7,7
Липа	0,26	0,39	39	68	7,3	8
Черная ольха	0,16	0,23	36,8	69,2	-	-
Черная осина	0,16	0,31	35,1	60	5,8	7,4

    Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангентальном направлении (см. рисунок).


Испытание механических свойств древесины на сжатие
а – вдоль волокон; б – поперек волокон – радиально; в – поперек волокон - тангентально;

    Строительные нормы и правила в зависимости от пороков делят деревянные конструкции на три категории.
    Предел прочности древесины на сжатие вдоль волокон высок у всех пород. Поперек волокон он значительно меньше.
    Для хвойных твердо- и мягколиственных пород нормативную сопротивляемость рассчитывают по коэффициентам таблицы.

Нормативная сопротивляемость чистой древесины сосны и ели

Вид сопротивления и характеристика элементов, находящихся под нагрузкой	МПа
Сопротивление статическому изгибу R1
для элементов, изготовленных из круглого леса с неслабленным ппоперечным сечением	16
для элементов с прямоугольным сечением (ширина 14 см, высота - 50 см)	15
Сопротивляемость сжатию Rсж и поверхностному сжатию Rп.сж
сжатие вдоль волокон	13
в плоскости, параллельной направлению волокон	1,8
Сопротивляемость сжатию местной поверхности Rп.сж
поперек волокон в опорных местах конструкции	2,4
в опорных зарубках	3
под металлическими подкладками (если углы приложения силы 60-90°)	4
Сопротивляемость растяжению вдоль волокон Rраст.в
для элементов с неослабленными поперечным сечением	10
для элементов с ослабленным поперечным сечением	8
сопротивляемость раскалыванию вдоль волокон Rраск.в	2,4
сопротивляемость раскалыванию поперек волокон Rраск.в	1,2

Твердость древесины различных древесных пород

Порода дерева	Твердость, МПа
	для поверхности поперечного разреза	для поверхности радиального разреза	для поверхности тангентального разреза
Липа	19,0	16,4	16,4
Ель	22,4	18,2	18,4
Осина	24,7	17,8	18,4
Сосна	27,0	24,4	26,2
Лиственница	37,7	28,0	27,8
Береза	39,2	29,8	29,8
Бук	57,1	37,9	40,2
Дуб	62,2	52,1	46,3
Граб	83,5	61,5	63,5

Испытание механических свойств древесины на изгиб

    Древесина работает на изгиб с опорой в середине (рисунок выше, а) (доска-качель), с закрепленным концом (рисунок выше, 6) (балка балкона), с опорами на концах (рисунок выше, в) (балки перекрытия). Во всех случаях конструкции подвержены растяжению и сжатию. В двух первых вариантах верхний слой конструкции растянут, а нижний - сжат, в третьем варианте - верхний слой сжат, а нижний растянут. В первом и третьем вариантах от воздействия критического момента разрушение произойдет в середине детали, во втором варианте - в месте ее закрепления. Во всех вариантах изгиба граница действия сил сжатия и растяжения проходит через ось в центре конструкции. Ее называют нейтральным слоем, так как здесь отсутствуют силы сжатия и растяжения, но действуют силы сдвига.


Сдвиг древесины
а – вдоль волокон; б – перпендикулярно волокнам;

    Предел прочности древесины на сдвиг (скалывание) - это способность ее сопротивляться перемещению вдоль и поперек волокон (рисунок выше, а, б). Прочность на скалывание поперек волокон больше, чем вдоль волокон.


Сдвиг деталей
а – обыкновенный; б – двойной;

    Прочность забитых гвоздей при растяжении зависит от вида сопряжения детали (рисунок выше). В первом случае оно в два раза меньше, чем при двойном.
    Скалывание в деревянных конструкциях в узлах фермы действует совместно с силами на сжатие и изгиб.


Направление сил в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой
1 – сдвиг на скалывание; 2 – сжатие; 3 – растяжение; 4 – изгиб; 5 – сжатие;

    Направления сил в деревянной конструкции показаны на рисунке выше.
    Прочность древесины зависит от влажности и объемной массы. При увеличении влажности ее прочность уменьшается. Плотная сухая древесина более прочная, чем легкая и рыхлая. Неодинакова прочность древесины в различных местах ствола. Наиболее прочна древесина комлевой части ствола, имеющая большую объемную массу. На каждые 6 м предел прочности древесины (от комля к вершине) снижается на 8%. Для древесины характерны эластичность и пластичность. Эластичность используется в рукоятках ручных инструментов, уменьшающих силу удара, например в ручке стамески.
    Пластичность - способность древесины сохранять приданную ей форму после снятия приложенной нагрузки. Влажность и повышение температуры древесины увеличивают пластичность. Обработка древесины паром или горячей водой увеличивает ее пластичность, что находит применение в производстве гнутой мебели, лыж. Высокая пластичность у бука, вяза, дуба, ясеня, меньшая пластичность у хвойных пород из-за прямолинейной структуры волокон.
    Хрупкость - это свойство древесины внезапно разрушаться под воздействием нагрузки. Хрупкой древесины не существует, это объясняется ее волокнистым строением.
    Твердость древесины - это способность сопротивляться внедрению инородного тела. Увеличение объемной массы древесины повышает ее твердость и увеличивает трудоемкость обработки.
    С увеличением влажности твердость древесины уменьшается. По твердости древесину подразделяют на твердую и мягкую. Твердые породы: граб, бук, дуб, клен, ясень, вяз, груша, орешник, ильм, лиственница и др., а наиболее твердые самшит и акация; мягкие: липа, ель, сосна, ольха и др.
    Износостойкость - это способность древесины противостоять нагрузкам, возникающим в процессе трения (при эксплуатации полов, лестниц).
    Износ древесины определяется стиранием поверхности при механических нагрузках в процессе эксплуатации и зависит от твердости и объемного веса древесины.