Деревообрабатывающее оборудование
и комплексный инжиниринг

Прочность древесины

Сжатие поперек волокон

Когда тяжёлые предметы опираются на поверхность деревянного пола или деревянного стола, они прилагают нагрузку (эквивалентную своему весу) в направлении поперек волокон. Для того, чтобы определить прочность древесины в этом направлении, применяется следующий тест: деревянный брусок длиной 10 см и сечением 5х5 см закрепляется в горизонтальном положении и на его центральную часть длиной 5 см прикладывается нагрузка. Информация о нагрузке и деформации замеряется до достижения предела пропорциональности. По достижении этого предела сопротивление растет, но значимый максимум нагрузки не достигается. Таким образом, единственный параметр, который обычно определяется, это – нагрузка на волокна при пределе пропорциональности (FSPL). Типичными являются, например, значения FSPL для сосны (440 psi) или 2170 psi для гикори. (psi – американская мера давления, 1 фунт веса на 1 дюйм площади, 1фунт = 0,453 кг, 1 дюйм = 25,4 мм – ред.) В общем, эти значения значительно ниже, чем для сжатия вдоль волокон.

Публикуемые в различных таблицах значения прочностных свойств древесины обычно указывают одно значение для её прочности поперек волокон. Оно является средним между «радиальной» и «тангентальной» прочностями. Для некоторых пород эти два направления действительно мало различаются. У других, однако, анатомическая структура может привести к заметным различиям в прочности радиальной и тангентальной древесины. Например, у таких твердолиственных пород, как ясень и катальпа, или у пород с неравномерным волокном, таких как сосна и ель, образец, подвергнутый сжатию в радиальном направлении, будет не прочнее, чем самый слабый весенний слой. Этот факт может являться как преимуществом, как при отбивании ясеневого лыка для плетения корзин, так и недостатком. Удар бейсбольного мяча по тангентальной стороне бейсбольной биты (то есть приложение радиальной нагрузки) сокрушает слои весенней древесины.

По этой причине фабричное клеймо всегда ставят на тангентальной стороне биты, а американских школьников с младых ногтей приучают не бить по мячу клеймом (правда, многие думают, что это – одно из суеверий, т. е. нанесение клейма ослабляет биту). Такая древесина выдержит бОльшую тангентальную нагрузку (т. е. приложенную на радиальную сторону), поскольку в этом случае нагрузка равномерно распределяется слоями более прочной поздней древесины. Интересно, что прочность на сжатие наименее мала, когда нагрузка прилагается перпендикулярно волокну, под углом 450 к годовым кольцам.

Сжатие по направлению перпендикулярно волокну часто является предельной силой. Например, представьте себе наш стул из гикори (см. GE-News № 47, ред.), концы ножек которого заточены до 3-х миллиметров. Несмотря на то, что давление в 5102 psi, образовавшееся на концах, ножки выдержать смогут, они легко вдавятся в поверхность соснового пола, у которого FSPL всего лишь 440 фунтов. И по той причине, что женщины любят острые каблуки-шпильки, сосна – не самый лучший выбор для пола, поскольку если вес дамы превышает 60 килограмм, на сосновом полу от ее шпилек останутся вмятины. А вот древесина гикори, будучи использована в качестве доски пола, выдержит барышню и вчетверо более крупной комплекции (а такие у них в Америке есть! – ред.) без малейших последствий.

В мебельных соединениях «шип-паз», где неизбежно раскачивание, сжатие поперек волокон может оказаться критичным параметром. Сжатие шипа поперек волокон не идет ни в какое сравнение со сжатием паза вдоль волокон, если для обеих деталей используется одна и та же порода древесины.

Особенно критична ситуация, когда дерево ограничено в разбухании, как например, у рукоятки молотка, вставленной в отверстие бойка, или даже в соединении «шип-паз». Как мы рассматривали в GE-News # 41, объём разбухания в направлении перпендикулярно волокну, происходящего в результате климатических изменений, может быть весьма заметным. Если разбухание ограничено, мы получаем эффект сжатия разбухающей древесины на этот объём.

Однако при повторном высыхании в дереве образуется эффект остаточной деформации и деталь «усыхает» до размеров, меньших, чем первоначальные, тем самым ослабляя соединение.
Циклические изменения влажности являются, пожалуй, более важной причиной расшатывания соединений, нежели чем физические нагрузки. Мы подвергали абсолютно новые стулья суровым испытаниям, изменяя влажность окружающей среды (90%-30%-90%-30% относительной влажности воздуха), после чего они расшатывались безо всякой нагрузки.

Я провел серию экспериментов, в ходе которых диски, изготовленные из гикори, были плотно вставлены в кольца из нержавеющей стали при 7% влажности. Дальше им была дана возможность впитывать влагу до точки насыщения. Затем они были высушены до первоначального веса и вновь измерены. Они показали средние потери в диаметре в 7,5% в тангентальном направлении и 5.4% в радиальном. Подобные эксперименты я проводил с буком и с другими породами. Они показали, что результат вполне предсказуем.

Эксперимент демонстрирует развитие компрессионной усушки. Три образца были выпилены из одной доски при влажности 7%, затем вставлены в стальные рамки и закреплены за нижний край шурупами. Третий образец мог свободно разбухать, а первый и второй были ограничены верхней рамкой. Первый образец был ещё и привинчен к ней. Влажность воздуха плавно повышали, пока влажность древесины не составила 18%. Третий образец разбух. Первый и второй были ограничены рамкой и в них создалось внутреннее напряжение, превзошедшее предел эластичности. Хотя видимых разрушений не произошло, в них развилось остаточное напряжение. Затем влажность вернули к 7% и результаты вы видите на фото. Третий образец усох до первоначального размера, второй стал короче благодаря компрессионной усушке, а в первом, усушка которого была ограничена крепежом, развились такие внутренние напряжения, что он треснул пополам.

Эти пары буковых дисков иллюстрируют эффект воздействия циклических изменений влажности на древесину, лишенную возможности расширяться. Верхняя пара – диски при 7% влажности. Средняя пара увлажнена до точки насыщения. Нижняя пара увлажнена и вновь высушена до первоначального веса. Дерево сжалось внутри стального кольца.

Список номеров