При проектиране, разработване или производство на дървени конструкции е важно да се знаят якостните свойства на материала - проектната устойчивост на дървото, която се измерва като един килограм на квадратен сантиметър. За изследване на показателите се използват проби със стандартни размери, изрязани от дъски или дървен материал от необходимия клас, без външни дефекти, възли и други дефекти. След това пробата се тества за устойчивост на компресия, огъване, разтягане.
Видове дърво
Дървото е универсален материал, който може лесно да се обработва и се използва в различни области на производството: строителство, мебели, прибори и други предмети от бита. Областта на приложение зависи от вида дървесина с различни физични, химични и механични свойства. В строителството особено популярни са иглолистни дървета като смърч, кедър, бор, лиственица, ела. В по-малка степен широколистни дървета - бреза, топола, трепетлика, дъб, леска, липа, елша, бук.
Иглолистните сортове се използват под формата на обла дървесина, дървен материал, дъски за производството на носещи пилоти, ферми, стълбове, мостове, къщи, арки, промишлени съоръжения и други строителни конструкции. Материалите от твърда дървесина представляват само една четвърт от общото потребление. Това се дължи на по-лошите физични и механични свойства на дървения материал от твърда дървесина, така че те се опитват да се използват за производството на конструкции с ниски носещи натоварвания. Обикновено те отиват в чернови и временни обектни възли.
Използването на дървен материал в строителството се регулира от правилата в съответствие с физико-механичните свойства на дървесината. Тези свойства зависят от влажността и наличието на дефекти. За носещите елементи влажността не трябва да надвишава 25%, за други продукти няма такива изисквания, но има стандарти за специфични дефекти на дървото.
Химичен състав
В 99% от масата на дървесината са органични вещества. Съставът на елементарните частици за всички скали е еднакъв: азот, кислород, въглерод и водород. Те образуват дълги вериги от по-сложни молекули. Дървото се състои от:
- Целулозата е естествен полимер с висока степен на полимеризация на верижните молекули. Много стабилно вещество, не се разтваря във вода, алкохол или етер.
- Лигнинът е ароматен полимер със сложна молекулярна структура. Съдържа голямо количество въглерод. Благодарение на него се появява лигнификация на стволовете на дърветата.
- Хемицелулозата е аналог на обикновената целулоза, но с по-ниска степен на полимеризация на верижните молекули.
- Екстрактивенвещества - смоли, гуми, мазнини и пектини.
Високото съдържание на смоли в иглолистните дървета запазва материала и му позволява да запази първоначалните си свойства за дълго време, като помага да устои на външни влияния. Нискокачествените дървесни продукти с голям брой дефекти се използват главно в дървохимическата промишленост като суровина за производството на хартия, залепена дървесина или за извличане на химически елементи като танини, използвани в производството на кожа.
Външен вид
Дървото има следните външни свойства:
- Цвят. Визуално възприемане на отразения спектрален състав на светлината. Важно при избора на дървени трупи като довършителен материал.
- Оцветяването зависи от възрастта и вида на дървото, както и от климатичните условия, където е растяло.
- Блясък. Способността да отразяват светлината. Най-висок процент се отбелязва при дъб, ясен, акация.
- Текстура. Моделът, образуван от годишните пръстени на багажника.
- Микроструктура. Определя се от ширината на пръстена и съдържанието на късно дърво.
Индикаторите се използват при външната оценка на качеството на дърводобива. Визуалната проверка разкрива дефекти и пригодността на материалите за последваща употреба.
Дървени дефекти
Въпреки очевидните предимства пред синтезираните материали, дървото, както всяка естествена суровина, има своите недостатъци. Наличието, степента и площта на лезията се регулиранормативни документи. Основните дефекти на дървото включват:
- поражение, гниене, гъбички и вредители;
- косо;
- джобове от смола;
- възли;
- пукнатини.
Възлите намаляват здравината на дървения материал, от особено значение са техният брой, размер и местоположение. Възлите са разделени на типове:
- Здравословно. Срастват плътно с тялото на дървото и седят здраво в джобовете, без гниене.
- Падащо меню. Обелете и паднете след изрязване на материала.
- Възбудено. Тъмни на цвят и имат по-плътна структура спрямо съседната дървесина;
- Затъмнено. Възли с начален стадий на разпад.
- Разхлабен - гнило.
Според местоположението възлите са разделени на:
- зашити;
- с нокти;
- обрасъл;
- доведени синове.
Slant също така намалява якостта на огъване на дървото и се характеризира с наличието на пукнатини и спирални слоеве в кръглата дървесина, като в нарязания материал те са насочени под ъгъл към ребрата. Продуктите с такъв дефект са нискокачествени, използвани изключително като временни укрепления.
Причините за пукнатини зависят от външните условия и дървесните видове. Те се образуват в резултат на неравномерно сушене, замръзване, механично натоварване и много други фактори. Появяват се както на живи дървета, така и на отсечени. В зависимост от позицията на ствола и формата, пукнатините се наричат:
- мразовит;
- серница;
- метика;
- свиване.
Пукнатините не само намаляват качеството на дървото, но също така допринасят за бързото гниене и разрушаване на влакната.
Гниене се образува в резултат на заразяване с гнилостни и други видове гъби, които се появяват по растящите и изсечени дървета. Гъбичките, които живеят върху живи стволове, са паразитни, които заразяват годишните пръстени и причиняват отлепването им. Други видове се установяват вече върху готови конструкции и причиняват гниене, разслояване, напукване.
Причината за появата на вредни организми е благоприятната среда за тяхното размножаване: влажност над 50% и топлина. Върху добре изсушена дървесина не се развиват микроорганизми. Специална категория вредители трябва да включва насекоми, които предпочитат да се заселват в дървени конструкции, като правят движения в тях, като по този начин увреждат влакната и намаляват тяхната здравина.
Влажност на дървесината
Един от важните показатели за нормативната и проектна устойчивост на дървото. Влияе върху процента вода във влакната на багажника. Влага - процент от масата на влагата към сухия материал. Формулата за изчисление изглежда така: W=(m–m0)/m0 100, където m е началната маса на детайла, m 0 - тегло на абсолютно суха проба. Влагата се определя по два начина: чрез изсушаване и използване на специални електронни влагомери.
Дървото се разделя на няколко вида според съдържанието на влага:
- Мокър. Ссъдържание на влага над 100%, което съответства на дълъг престой във водата.
- Прясно нарязани. Със съдържание от 50 до 100%.
- Изсушаване на въздух. Със съдържание на вода от фибри от 15 до 20%.
- Сухо в стаята. Със съдържание на влага от 8 до 12%.
- Напълно суха. С 0% водно съдържание, получено чрез сушене при 102°.
Водата е в дървото в обвързана и свободна форма. Свободната влага е в клетките и междуклетъчното пространство, свързана - под формата на химични връзки.
Влияние на влагата върху свойствата на дървесината
Има няколко вида свойства в зависимост от съдържанието на влага в дървесната структура:
- Свиването е намаляване на обема на влакната от дървесна маса, когато от тях се отстрани свързаната вода. Колкото повече влакна, толкова повече влага от свързания тип. Отстраняването на влагата не дава такъв ефект.
- Изкривяване - промяна във формата на дървения материал в процеса на сушене. Възниква, когато трупите не са правилно изсушени или изрязани.
- Поглъщане на влага - хигроскопичността на дървото или способността да абсорбира влагата от околната среда.
- Подуване - увеличаване на обема на дървесните влакна, когато материалът е във влажна среда.
- Водопоглъщане - способността на дървесината да увеличава собствената си влага чрез абсорбиране на капеща течност.
- Плътност - измерва се като маса за единица обем. С увеличаване на влажността, плътността се увеличава и обратно.
- Пропускливост - способността да преминава вода през себе си под високо налягане.
След изсушаванедървото губи естествената си еластичност и става по-твърдо.
Твърдост
Коефициентът на твърдост се определя чрез метода на Бринел или теста на Янки. Основната им разлика се крие в техниката на измерване. Според Бринел, закалена стоманена топка се поставя върху равна дървена повърхност и върху нея се прилага 100 килограма сила, след което се измерва дълбочината на получения отвор.
Тестът на Yankee използва топка от 0,4 инча и измерва колко сила, в паундове, е необходима, за да избута топката половината диаметър в дървото. Съответно, колкото по-висок е резултатът, толкова по-твърдо е дървото и толкова по-голям е коефициентът. В рамките на един и същи сорт обаче показателите се различават, които зависят от метода на рязане, влажността и други фактори.
По-долу е дадена таблица за твърдостта на дървото Brinell и Yankee за най-често срещаните видове.
| Име | Твърдост по Бринел, kg/mm2 | Янки твърдост, паунда |
| Acacia | 7, 1 | |
| Бреза | 3 | 1260 |
| карелска бреза | 3, 5 | 1800 |
| Elm | 3 | 1350 |
| Круша | 4, 2 | |
| Дъб | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| смърч | 660 | |
| Липа | 400 | |
| лиственица | 2, 5 | 1200 |
| Елша | 3 | 590 |
| европейски орех | 5 | |
| испански орех | 3, 5 | |
| Аспен | 420 | |
| Fir | 350-500 | |
| Офика | 830 | |
| бор | 2, 5 | 380-1240 |
| Череша | 3, 5 | |
| Ябълково дърво | 1730 | |
| Ash | 4-4, 1 | 1320 |
От таблицата за твърдостта на дървото може да се види, че:
- трепетлика, смърч, ела, бор - много меки дървета;
- бреза, липа, елша и лиственица са меки дървета;
- бряст и орех са средно твърди;
- дъб, ябълка, черешов ясен, круша и имат коефициент на нормална твърдост;
- бук, скакал и тис са много твърди сортове.
Твърдата дървесина е издръжливадо механично натоварване и се използва за критични компоненти на дървени конструкции.
Плътност
Плътността е пряко свързана със съдържанието на влага във влакната. Следователно, за да се получат хомогенни показатели за измерване, той се изсушава до ниво от 12%. Увеличаването на плътността на дървесината води до увеличаване на нейната маса и здравина. Според влажността дървеният материал се разделя на няколко групи:
- Скали с най-ниска плътност (до 510 kg/m3). Те включват ела, бор, смърч, топола, кедър, върба и орех.
- Червени със средна плътност (в диапазона 540-750 kg/m3). Те включват лиственица, тис, бряст, бреза, бук, круша, дъб, ясен, офика, ябълка.
- Скали с висока плътност (повече от 750 kg/m3). Тази категория включва бреза и бульон.
По-долу има таблица на плътността за различни дървесни видове.
| Име на породата | Плътност на скалите, kg/m3 |
| Acacia | 830 |
| Бреза | 540-700 |
| карелска бреза | 640-800 |
| бук | 650-700 |
| Череша | 490-670 |
| Elm | 670-710 |
| Круша | 690-800 |
| Дъб | 600-930 |
| смърч | 400-500 |
| Върба | 460 |
| кедър | 580-770 |
| Европейски клен | 530-650 |
| канадски клен | 530-720 |
| полски клен | 670 |
| лиственица | 950-1020 |
| Елша | 380-640 |
| орех | 500-650 |
| Аспен | 360-560 |
| Fir | 350-450 |
| Офика | 700-810 |
| Люляк | 800 |
| Слива | 800 |
| бор | 400-500 |
| Топола | 400-500 |
| Thuya | 340-390 |
| Череша | 580-740 |
| Череша | 630 |
| Ябълково дърво | 690-720 |
Иглолистните видове имат най-ниска плътност, докато широколистните видове имат най-висока плътност.
Стабилност
Изчислената устойчивост на дървото включва такова нещо като стабилност къмизлагане на влага. Степента се измерва по петстепенна скала при промяна на влажността на въздуха:
- Нестабилност. Появява се значителна деформация дори при лека промяна на влажността.
- Средна стабилност. Появява се забележима степен на деформация с лека промяна във влажността.
- Относителна стабилност. Появява се лека степен на деформация с лека промяна във влажността.
- Стабилност. Без видима деформация с лека промяна във влажността.
- Абсолютна стабилност. Няма абсолютно никаква деформация дори при голяма промяна във влажността.
По-долу е диаграма за стабилност на обикновените дървесни видове.
| Име на породата | Степен на стабилност |
| Acacia | 2 |
| Бреза | 3 |
| карелска бреза | 3 |
| бук | 1 |
| Череша | 4 |
| Elm | 2 |
| Круша | 2 |
| Дъб | 4 |
| смърч | 2 |
| кедър | 4 |
| Европейски клен | 2 |
| канадски клен | 2 |
| Полев клен | 1 |
| лиственица | 2-3 |
| Елша | 1 |
| американски орех | 4 |
| бразилски орех | 2 |
| орех | 4 |
| европейски орех | 4 |
| испански орех | 3 |
| Аспен | 1 |
| Fir | 2 |
| Топола | 1 |
| Череша | 1 |
| Череша | 2 |
| Ябълково дърво | 2 |
Цифрите са изчислени за дървесина със съдържание на влага 12%.
Механични характеристики
Качеството на дървесината се определя от следните показатели:
- Устойчивост на износване - способността на дървото да устои на износване по време на триене. С увеличаване на твърдостта на материала, износването му намалява с неравномерно разпределение по повърхността на пробата. Съдържанието на влага в дървесината също влияе върху устойчивостта на износване. Колкото по-ниско е, толкова по-високо е съпротивлението.
- Деформируемост - способност за възстановяване на формата след изчезване на действащите сили. Когато дървото се компресира,деформация на детайла, която изчезва с натоварването. Основният показател за деформируемост е еластичността, която се увеличава със съдържанието на влага в дървесината. При постепенно изсушаване еластичността се губи, което води до намаляване на устойчивостта на деформация.
- Гъвкавост - естествената способност на дървото да се огъва при натоварвания. Широколистните видове имат добра производителност, иглолистните в по-малка степен. Тези способности са важни при производството на огънати продукти, които първо се овлажняват и след това се огъват и сушат.
- Ударна якост - способността да се абсорбира силата на удара, без да се стърже дърво. Тестването се извършва с помощта на стоманена топка, която се пуска върху детайла от височина. Широколистните сортове показват по-добри резултати от иглолистните.
Постоянните натоварвания постепенно влошават свойствата на дървото и водят до умора на материала. Дори и най-издръжливото дърво не е в състояние да издържи на външни влияния.
Нормативни спецификации
Индикаторите за нормативна устойчивост са необходими за производството на различни видове конструкции. Дървесината се счита за подходяща, ако показателите не са по-ниски от изчислените стойности. При тестовете се използват само стандартни проби със съдържание на влага не повече от 15%. За дървесина с различна стойност на влажност се използва специална формула за конструктивна устойчивост, след което индикаторите се преобразуват в стандартни стойности.
При проектирането на дървени конструкции е важно да знаете действителните стойности на якост на изходния материал. Реално те са по-малко от нормативните, получени на тестови проби. Референтни данниполучено чрез натоварване и деформиране на проби със стандартни размери.
Дизайн характеристики
Проектната устойчивост на дървото е напреженията в различни равнини на дървени проби, създадени от определени натоварвания, които едно дърво може да издържи произволно време, докато бъде напълно унищожено. Тези цифри се различават за разтягане, компресия, огъване, срязване и смачкване.
Реалните цифри се получават чрез умножаване на нормативните данни по коефициентите на условията на работа.
| Име | Дизайн коефициент на устойчивост на дърво | ||
| Стрес покрай влакната | Напрежение през влакната | Чипване | |
| лиственица | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| Сибирски кедър | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| бор | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Fir | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Дъб | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| клен, ясен | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Acacia | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| бук, бреза | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Elm | 1 | 1, 6 | 1 |
| Топола, елша, трепетлика, липа | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
Условията на работа се влияят от цял списък от фактори. Горните коефициенти отчитат такива фактори. Всяко излагане на влага върху конструкциите води до намаляване на крайната производителност.
Заключение
При проектирането на дървени конструкции е важно да знаете изчислените показатели на материалите, използвани в строителството. Отделни възли ще изпитват постоянни или временни натоварвания, които могат да доведат до пълното им унищожаване. Данните, посочени в GOST и SNiP, са получени чрез тестване на стандартни проби. Реалните стойности обаче ще се различават значително от нормативните. Следователно формулите, предоставени от стандартите, се използват за изчисления.
