Модуль упругости древесины при изгибе вдоль волокон: параметры от которых зависит прочность, пластичность и упругость дерева

Модуль упругости — один из важнейших физико-механических показателей всех пород древесины и полученных пиломатериалов. Это показатель влияет на расчеты прогибов деревянных конструкций.

Особенно это важно при возведении деревянных каркасов домов и балок перекрытий, на которые ложится основная нагрузка при эксплуатации сооружения.

Понятие упругости

Упругостью называется свойство деревянных изделий восстанавливать свою форму после снятия внешней нагрузки. Это свойство характерно всем стройматериалам. Но ствол дерева формируется из волокон целлюлозы, которые располагаются параллельно друг другу и могут достигать длины 45 см.

Соответственно и свойства деревянных изделий имеют разное значение вдоль расположения волокон и поперек. Это определяет назначение пиломатериалов и дальнейшее их использование в строительстве.

Упругость показывает способность деревянных материалов восстанавливать первоначальную форму. Деформация должна быть незначительной и обратимой.

Измеряют показатель по трем направлениям:

• Вдоль и поперек волокон целлюлозы,
• В радиальном направлении перпендикулярно росту годовых колец,
• В тангенциальном направлении, когда распил идет по касательной к годовым кольцам.

Расчеты показателя вдоль волокон в 25 раз меньше у хвойных пород и в 20 раз у лиственных и составляют 100-150 тыс. кг/см². А в радиальном срезе он больше на 1,8 раза чем в тангенциальном направлении.

Влияние свойств древесины на модуль упругости

На значение величины упругости оказывает влияние целый ряд факторов начиная от породы дерева, возраста и заканчивая физическими характеристиками, такими как влажность, пористость, твердость.

Располагаются волокна целлюлозы параллельно стволу дерева. Чем больше они переплетаются друг с другом и чем тщательнее сшиты между собой лигнином, тем выше сопротивляемость внешним нагрузкам и меньше деформация.

• У старых деревьев модуль упругости в 1, 5 – 2 раза выше, чем у молодых. С возрастом волокна уплотняются между собой.
• У разных пород деревьев характерный рисунок годовых колец, он бывает ярко выраженный у северных пород и неразличимым у тропических. Весной откладывается рыхлая и тонкая древесная ткань, к осени она становится плотнее.
• Центральная часть или сердцевина более прочная, меньше содержит влаги, а заболонь или внешний слой более рыхлый. Следовательно, и противодействие нагрузке будет различаться.
• При повышении влажности древесины резко снижаются ее механические свойства, в том числе и способность противостоять деформациям. Для строительства используют пиломатериалы с влажностью не более 15%.
• Вес разных пород влияет на ее свойства, чем легче материал, тем ниже прочность и упругость. У тяжелых пород плотность выше, следовательно, и способность противостоять деформации.

К недопустимым порокам стройматериала относят сучки, трещины, большие сколы, изогнутость, смоляные наплывы, покоробленность.

Поражение грибковыми заболеваниями, насекомыми снижают механические свойства дерева.

Проявление упругих свойств древесины

Сила, воздействующая на деревянную конструкцию, вызывают деформацию, что приводит к изменению ее первоначальной формы.

• Свойственная материалу упругость возвращает конструкции первоначальную форму.
• Если сила больше, чем способность ей противодействовать, появляется остаточная деформация, которая исчезает со временем с изменениями влажности и температуры.
• Предел наступает, когда доска ломается, не выдержав нагрузки. Часто путают показатели упругости и гибкости.
• Гибкость – это способность изменять форму, а упругость ее восстанавливать.

Из упругих пород изготавливают каркасы мебели, спортивные снаряды, детали кораблей, ложе у оружия, ручки слесарных инструментов.

Упругость как физическая величина

Она характеризуется несколькими расчетными величинами:

• Модуль вычисляют как отношение приложенной силы к величине относительной деформации,
• Коэффициент упругости рассчитывают, как отношение остаточной деформации к первоначальному положению,
• Модуль сдвига показывает способность материала сопротивляться приложенным напряжениям. При этом форма может изменяться, но объем остается постоянным.

Эти показатели учитываются при проведении кровельных работ и установки стропильной системы. Ведь они несут на себе не только вес кровли. Но и противостоят ветру, весу снегового покрова.

Нормативная документация

Соблюдение требований и соответствующих стандартов снижает риск разрушения деревянных конструкций, их повреждений в результате сильного ветра, снегопада.

Это повышает безопасность проживающих в домах людей, сохранность имущества, государственных ценностей. Модуль упругости рассчитывают для пиломатериалов, клееных материалов, фанеры, ДСП и ДВП.

• Согласно строительным СНиПам при создании проекта помещений конструкции обязаны соответствовать требованиям расчетной документации по деформации и несущей способности стен и оснований зданий.
• При проектировании учитываются климатические условия эксплуатации, состояние грунта, близость водоемов, сила ветра, количество осадков в зимнее время.
• Деревянные конструкции при надлежащем уходе и обслуживании должны служить минимум 50 лет, быть надежными и безопасными.

В ГОСТе 16483.9-73 установлен в законодательном порядке метод определения упругости, последовательность расчетов, перечислены виды древесины и пиломатериалов, подлежащих обязательной стандартизации.

Величина рассчитывается на растяжение, на сжатие, на статический изгиб и измеряется в Мпа. Так для березы модуль упругости на растяжение составляет 18300 Мпа, на сжатие – 16100, а на изгиб – 15400 Мпа. Для дуба соответственно – 14300, 1160, 1340 Мпа, а для сосны – 12100, 12100, и 640 Мпа.

Изучением свойств древесины занимается наука реология. Ученые изучает свойства полимеров и их изменение с течением времени, которое вызывает необратимые деформации.