Лесоматериалы важны для строительной и мебельной отраслей, а также для производства изделий от деревянных конструкций до отделочных материалов. В статье представлен справочник, который поможет читателям разобраться в разнообразии лесоматериалов, их характеристиках, применении и способах обработки. Этот ресурс будет полезен как профессионалам, так и любителям, стремящимся выбрать качественные материалы для своих проектов и узнать о современных тенденциях и технологиях в использовании древесины.
Справочник | Лесоматериалы
К механическим характеристикам древесины относятся прочность, твердость, жесткость, ударная вязкость и другие показатели.
Прочность — способность древесины противостоять разрушению под механическими нагрузками, определяется пределом прочности. Этот параметр зависит от направления нагрузки, вида древесины, плотности, влажности и наличия дефектов.
Связанная влага в клеточных стенках существенно влияет на прочность. Увеличение содержания влаги снижает прочность, особенно при влажности 20-25%. Повышение влажности выше 30% не оказывает значительного влияния на прочность. Сравнивать пределы прочности можно только при одинаковом уровне влажности. Также на механические свойства влияет продолжительность нагрузки.
Статические нагрузки могут быть вертикальными, постоянными или медленно увеличивающимися, в то время как динамические действуют кратковременно. Нагрузку, приводящую к разрушению древесины, называют разрушительной. Предел прочности определяется на образцах древесины и измеряется в Па/см² (кгс на 1 см²) в месте разрушения.
Сопротивление древесины измеряют вдоль волокон, а также в радиальном и тангенциальном направлениях. Основные виды механических воздействий включают растяжение, сжатие, изгиб и скалывание. Прочность древесины зависит от направления нагрузки, вида древесины, плотности, влажности и наличия дефектов. Механические свойства древесины представлены в таблицах.
Древесина чаще всего подвергается сжатию, например, в стойках и опорах. Сжатие вдоль волокон также влияет на радиальное и тангенциальное направление.
Предел прочности на растяжение. Средний предел прочности при растяжении вдоль волокон для всех видов древесины составляет 1300 кгс/см². Структура древесины значительно влияет на прочность при растяжении; даже небольшие отклонения в расположении волокон могут снизить прочность.
Прочность при растяжении поперек волокон значительно ниже и составляет в среднем 1/20 от прочности вдоль волокон, то есть 65 кгс/см². Поэтому древесина редко используется в элементах, работающих на растяжение поперек волокон, хотя это важно при разработке режимов резания и сушки.
Предел прочности при сжатии. Сжатие может происходить вдоль и поперек волокон. При сжатии вдоль волокон образец немного укорочивается. Разрушение начинается с продольного изгиба волокон, что в влажных образцах из мягких пород проявляется в смятии торцов и выпучивании боков, а в сухих образцах и твердых породах — в виде сдвига. Средний предел прочности при сжатии вдоль волокон для всех пород составляет 500 кгс/см².
- Читайте также:
Прочность при сжатии поперек волокон примерно в 8 раз ниже, чем вдоль волокон. Установить момент разрушения при сжатии поперек волокон не всегда возможно. Древесину испытывают на сжатие в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами (дуб, бук, граб) прочность при радиальном сжатии в полтора раза выше, чем при тангенциальном; у хвойных — наоборот.
Предел прочности при статическом изгибе. При изгибе верхние слои древесины испытывают сжатие, а нижние — растяжение вдоль волокон. Нейтральная плоскость, где отсутствуют напряжения, находится примерно посередине высоты элемента. Предел прочности при сжатии ниже, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и проявляется в разрыве крайних волокон. Предел прочности зависит от вида и влажности древесины. В среднем для всех пород прочность при изгибе составляет 1000 кгс/см², что в два раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.
Прочность древесины при сдвиге. Внешние силы, вызывающие перемещение одной части детали относительно другой, называются сдвигом. Выделяют три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, поперек волокон и перерезание. Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами прочность на скалывание по тангенциальной плоскости на 10-30% выше, чем по радиальной.
Предел прочности при скалывании поперек волокон примерно в два раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность при перерезании поперек волокон в четыре раза выше прочности при скалывании.
Твердость — способность древесины противостоять внедрению тела определенной формы. Твердость торцевой поверхности выше, чем боковой (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% у хвойных. Все древесные породы можно разделить на три группы по степени твердости: 1) мягкие — торцевая твердость 40 МПа и менее (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан); 2) твердые — торцевая твердость 40,1-80 МПа (лиственница, сибирская береза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клён, лещина, грецкий орех, хурма, яблоня, ясень); 3) очень твердые — торцевая твердость более 80 МПа (белая акация, железная береза, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).
Твердость древесины важна при обработке режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также при укладке полов и лестниц.
Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать энергию удара без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. У лиственных пород ударная вязкость в среднем в два раза выше, чем у хвойных. Ударную твердость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца; величина, получаемая в результате, тем больше, чем ниже твердость древесины.
Износостойкость — способность древесины противостоять износу, то есть разрушению поверхностных слоев при трении. Испытания показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с торцевой. С увеличением плотности и твердости древесины износ уменьшается. У влажной древесины износ выше, чем у сухой.
Способность древесины удерживать металлические крепления, такие как гвозди, шурупы, скобы и костыли, является важным свойством. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, создающие силу трения, предотвращающую выдергивание. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше, чем для гвоздя, забитого поперек волокон. С увеличением плотности древесины сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа возрастает. Усилия для выдергивания шурупов больше, чем для гвоздей, так как добавляется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.
Читайте также:
Основные технические характеристики различных древесных пород представлены в таблицах.
Нормативная сопротивляемость чистой древесины сосны и ели также представлена в таблицах.
Средние показатели сопротивления древесины выдергиванию гвоздей варьируются в зависимости от породы древесины и размеров гвоздей.
Способность древесины изгибаться позволяет ей принимать различные формы. Эта способность выше у кольцесосудистых пород, таких как дуб и ясень, а у рассеянно-сосудистых, таких как бук, она ниже. Хвойные породы обладают меньшей способностью к изгибу. Гнутью подвергают древесину в нагретом и влажном состоянии, что увеличивает ее податливость и позволяет зафиксировать новую форму детали при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой.
Раскалывание древесины имеет практическое значение, так как некоторые сортименты заготавливаются именно раскалыванием. Сопротивление раскалыванию по радиальной плоскости у лиственных пород меньше, чем по тангенциальной, что объясняется влиянием сердцевинных лучей. У хвойных пород раскалывание по тангенциальной плоскости меньше, чем по радиальной.
Деформативность древесины. При кратковременных нагрузках в древесине возникают упругие деформации, которые исчезают после снятия нагрузки. До определенного предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности является модуль упругости.
Модуль упругости вдоль волокон составляет 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперек волокон. Чем выше модуль упругости, тем более жесткой является древесина.
С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины ее жесткость снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в остаточные, которые исчезают при нагревании или увлажнении.
Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются в рамках реологии, которая рассматривает законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учетом фактора времени.
Эксперты в области лесной промышленности отмечают, что справочник по лесоматериалам является незаменимым инструментом для специалистов и предпринимателей. Он предоставляет актуальную информацию о различных видах древесины, их характеристиках и применении. По мнению специалистов, такой справочник помогает не только в выборе подходящих материалов для строительства и производства, но и в оценке их качества. Кроме того, наличие детализированных данных о свойствах древесины способствует более эффективному управлению ресурсами и снижению затрат. Эксперты подчеркивают, что регулярное обновление информации в справочнике позволяет оставаться в курсе новых технологий и стандартов, что особенно важно в условиях быстро меняющегося рынка.
Определение прочности и виды нагрузок
Одним из важных механических свойств древесины является ее устойчивость к разрушающим механическим воздействиям, то есть прочность. Зависит она от разных факторов, самые важные из которых:
- Плотность;
- Влажность;
- Присутствие пороков;
- Порода древесины;
- Наличие разрушающих нагрузок в разных направлениях (например, поперек или вдоль волокон), то одно и тоже дерево будет иметь разную прочность.
На прочности дерева отражается содержание влаги в клеточных оболочках — связанная влага. Чем больше влажность, тем меньше прочность. Однако это правило действует до показателя влажности 30 %, который является пределом гигроскопичности. После достижения этого предела прочность остается неизменной даже при увеличении количества влаги. При определении показателей прочности образцы древесины должны иметь одинаковую влажность. Продолжительность разрушающей нагрузки также сильно отражается на показателе прочности.
Нагрузки различают по силе, направлению и времени воздействия. Статические действуют с постоянной силой или с постепенным увеличением, а динамические очень недолго, только в момент соприкосновения с поверхностью дерева. Эти нагрузки принято называть разрушительными, поскольку от их действия структура древесины нарушается. Крайние показатели прочности, при которых древесина способна сохранить свою структуру, называют пределом прочности. Единица измерения прочности — Па/см2 или иначе кгс на 1 кв. см.
Прочность измеряют во всех направлениях — продольном, радиальном и тангенциальном. При испытаниях применяют силы растяжения и сжатия, а также испытывают на изгиб и скалывание. Ниже приведена таблица механических свойств древесины.
Прочность на сжатие имеет большое значение в строительных конструкциях, таких, как опоры и стойки. Ее измеряют в разных направлениях.
| Тип древесины | Основные характеристики | Применение |
|---|---|---|
| Сосна | Прочная, смолистая, относительно легкая, доступная | Строительство (дома, балки, стропила), производство мебели, пиломатериалы, целлюлозно-бумажная промышленность |
| Ель | Легкая, мягкая, резонирующая, хорошо обрабатывается | Музыкальные инструменты, бумага, столярные изделия, строительство (внутренняя отделка) |
| Дуб | Очень прочная, твердая, долговечная, устойчива к гниению | Мебель высокой категории, паркет, бочки, кораблестроение (исторически) |
| Береза | Твердая, прочная, хорошо полируется, красивая текстура | Фанера, мебель, лыжи, столярные изделия |
| Лиственница | Очень прочная, долговечная, устойчива к гниению и воздействию влаги | Наружные работы (террасы, заборы), строительство, мостостроение |
Интересные факты
Вот несколько интересных фактов о лесоматериалах:
-
Разнообразие видов: Лесоматериалы могут быть получены из более чем 30 различных видов деревьев, каждое из которых имеет свои уникальные свойства. Например, дуб известен своей прочностью и долговечностью, тогда как сосна легче и проще в обработке.
-
Экологическая устойчивость: Лесоматериалы являются одним из самых экологически чистых строительных материалов. Они могут быть переработаны и повторно использованы, а также обладают способностью поглощать углекислый газ, что помогает в борьбе с изменением климата.
-
Технологические инновации: Современные технологии обработки древесины, такие как клееный брус и фанера, позволяют создавать более прочные и легкие конструкции. Эти материалы часто используются в строительстве, так как они обеспечивают высокую прочность при меньшем весе, что снижает затраты на транспортировку и монтаж.
Испытание механических свойств древесины на сжатие
Прочность на сжатие исследуется в продольном и поперечном направлениях относительно волокон. При продольном сжатии длина образца уменьшается. У мягких пород с высоким уровнем влажности наблюдается смятие торцов и выпирание боковых сторон. У твердых и сухих пород происходит разрушение, и части образца смещаются.
Среднее значение предела прочности на продольное сжатие для всех типов древесины составляет около 500 кгс на 1 кв. см.
Прочность при поперечном сжатии значительно ниже, соотношение составляет 1:8. Определить момент разрушения древесины и силу давления при поперечном сжатии сложно. Обычно прочность проверяется в радиальном и тангенциальном направлениях. Лиственные породы имеют прочность в 1,5 раза большую при радиальном сжатии, чем при тангенциальном. У хвойных пород прочность при радиальном сжатии ниже, чем при тангенциальном.
Испытание механических свойств древесины на сжатие: а — вдоль волокон; б — поперек волокон — радиально; в — поперек волокон — тангенциально.
Прочность древесины на растяжение
Прочность древесины при растяжении вдоль волокон колеблется в пределах 1100 — 1400 кгс/см2, правда использование ее в деталях, работающих на растяжение затруднено в связи с тем, что она не выдерживает нагрузок в местах крепления. В этих местах на древесину действуют силы сжатия и скалывания, а они имеют более низкие значения. Ярким примером использования древесины с работой на растяжение являются оглобли в конных повозках.
В поперечном направлении прочность на растяжение низкая и ее значение не превышает 5% от предела прочности на растяжение в продольном направлении. Поэтому в тех случаях, когда деталь из древесины работает на растяжение, применяют только древесину с продольным расположением волокон.
Величина поперечной прочности древесины на растяжение учитывается при резке и сушке материала, режимы этих операций подбираются в прямой зависимости от прочности.
Испытание механических свойств древесины на изгиб
Усредненная прочность древесных пород на изгиб составляет около 1000 кгс/см², что в два раза превышает прочность на сжатие и примерно на 30% меньше прочности при продольном растяжении. При изгибе древесина испытывает неоднородные нагрузки: верхний слой сжимается, а нижний — растягивается. В центральной части образца, подвергающегося изгибу, находится нейтральная зона, где напряжения отсутствуют. Первоначально разрушается зона растяжения — крайние волокна древесины начинают разрываться.
Прочность древесины на изгиб можно определить по характеру излома: качественные образцы имеют неровный излом с большим количеством щепы, тогда как дефектные демонстрируют почти ровный излом без выступов и вмятин.
При изгибе одна часть заготовки испытывает сжатие, другая — растяжение, поэтому показатель сопротивления изгибу находится между значениями сопротивлений сжатия и растяжения. Соотношение сопротивления сжатия к сопротивлению растяжения варьируется от 1.7 до 2.2 в зависимости от породы дерева.
Влажность древесины также влияет на сопротивление статическому изгибу: при изменении влажности на 1% сопротивление изменяется на 4%.
Сопротивление ударному изгибу указывает на вязкость или хрупкость древесины. Низкое сопротивление свидетельствует о хрупкости, высокий показатель — о высокой вязкости материала.
Сопротивление ударному изгибу измеряется с помощью маятника, фиксирующего работу Q кг/м, необходимую для разрушения образца. Сопротивление вычисляется по формуле A = Q/bh², где b и h — ширина и высота сечения образца в сантиметрах.
Прочность древесины при сдвиге
Смещение в заготовке одной части древесины относительно другой называется сдвигом. Сдвиги образуются под действием внешних нагрузок разного характера. Выделяют сдвиги, возникающие от скалывания вдоль или поперек волокон и от распила (перерезания).
Прочность при скалывании меньше прочности продольного сжатия примерно в 5 раз. А если сравнивать прочность скалывания вдоль и поперек волокон в одном образце, то предел прочности при продольном скалывании в два раза выше, чем при поперечном. Прочность древесины при перерезании выше прочности при скалывании раза в четыре.
Самая прочная древесина
Все деревья различаются по прочности. Среди хвойных наибольшей прочностью обладает лиственница. Это дерево славится твердой и долговечной древесиной, устойчива к гниению и влаге. Лиственница в воде становится такой же прочной, как камень. Ее древесина активно используется в мебельном производстве и строительстве, особенно для подводных конструкций, а также в кораблестроении.
Среди лиственных пород дуб занимает первое место по прочности. Его древесина долговечна, гибка и обладает декоративными свойствами, что делает ее востребованной в промышленности. Из дуба изготавливают мебель, паркет и поделки.
В Литве, в деревне Стелмуж, растет дуб возрастом более 1500 лет. Его ствол на уровне человеческого роста имеет диаметр 4 метра, а обхват на высоте трех метров — 13,5 метров. Этот дуб — памятник природы и самый старый представитель дубовых деревьев в Европе.
В мире есть несколько деревьев с «железной» древесиной: амазонское дерево в Бразилии, азобе в Африке, темир-агач в Азербайджане и Иране. Персидская парротия, произрастающая в Закавказье и Северной Ирландии, также отличается прочностью. К сожалению, все эти деревья встречаются крайне редко, и их находка — настоящее чудо.
Устойчивость древесины к воздействию внешней среды
Устойчивость древесины к воздействию внешней среды является одним из ключевых факторов, определяющих её долговечность и эксплуатационные характеристики. Древесина, как натуральный материал, подвержена различным воздействиям, включая влагу, ультрафиолетовое излучение, температурные колебания, а также атаки вредителей, таких как насекомые и грибки.
Одним из основных факторов, влияющих на устойчивость древесины, является её влажность. Древесина, содержащая высокое количество влаги, становится более подверженной гниению и поражению грибками. Поэтому для повышения устойчивости древесины к влаге часто применяются специальные методы обработки, такие как пропитка антисептиками и использование водоотталкивающих составов.
Температурные колебания также оказывают значительное влияние на древесину. При резких изменениях температуры древесина может подвергаться деформации, что приводит к образованию трещин и снижению прочности. Для минимизации этих эффектов рекомендуется использовать древесину, прошедшую термическую обработку, которая улучшает её стабильность и снижает восприимчивость к изменениям температуры.
Ультрафиолетовое излучение является ещё одним фактором, способствующим ухудшению состояния древесины. Долгое воздействие солнечных лучей может привести к выцветанию и разрушению верхнего слоя древесины. Для защиты от ультрафиолетового излучения применяются специальные лакокрасочные покрытия, которые образуют защитный слой и предотвращают разрушение структуры древесины.
Кроме того, древесина может подвергаться атаке различных вредителей, таких как древесные жуки и термиты. Эти насекомые способны значительно сократить срок службы древесины, разрушая её изнутри. Для защиты от вредителей используются как химические, так и биологические методы, включая обработку древесины инсектицидами и применение природных антипаразитарных средств.
Важно отметить, что выбор древесины для конкретных условий эксплуатации также играет значительную роль в её устойчивости. Некоторые виды древесины, такие как дуб, лиственница и кедр, обладают естественной устойчивостью к воздействию внешней среды благодаря своим физико-химическим свойствам. При выборе древесины необходимо учитывать не только её эстетические качества, но и характеристики, определяющие её долговечность и устойчивость к внешним факторам.
В заключение, устойчивость древесины к воздействию внешней среды является многогранной темой, требующей комплексного подхода. Правильный выбор древесины, её обработка и защита от внешних факторов могут значительно продлить срок службы древесных материалов и обеспечить их надежность в эксплуатации.
Вопрос-ответ
Как называется круглый лесоматериал?
Круглые лесоматериалы, или кругляк (неофиц.) — лесоматериалы, получаемые путём поперечного деления.
Что относят к лесоматериалам?
Они являются продукцией лесопильной и деревообрабатывающей промышленности. К таким Л. относятся: пиломатериалы (брусья, бруски, шпалы, шлюпочные и палубные доски, резонансовые доски для музыкальных инструментов), колотые лесоматериалы (паркетная фриза, клёпка для бочек), строганый и лущёный шпон и др.
Что относится к круглым лесоматериалам?
К круглым лесоматериалам относятся бревна строительные. Они имеют диаметр от 12 см и более, измеряемый в тонком конце (отрубе). Длина бревен — от 2 до 9 м с градацией через 0,25 м. Для гидротехнических сооружений и мостов выпиливаются бревна длиной до 12 м, а иногда и более.
Советы
СОВЕТ №1
Изучите основные виды лесоматериалов и их характеристики. Знание различий между хвойными и лиственными породами, а также их применения поможет вам выбрать наиболее подходящий материал для вашего проекта.
СОВЕТ №2
Обратите внимание на качество древесины. При выборе лесоматериалов проверяйте наличие трещин, сучков и других дефектов, которые могут повлиять на прочность и долговечность изделия.
СОВЕТ №3
Учитывайте климатические условия региона. Разные виды древесины имеют различные уровни устойчивости к влаге и температурным колебаниям, поэтому выбирайте материалы, подходящие для вашего климата.
СОВЕТ №4
Не забывайте о правильном хранении лесоматериалов. Древесина должна храниться в сухом и хорошо проветриваемом месте, чтобы избежать гниения и повреждения насекомыми.
