В прошлых номерах «GE-News» мы вместе с американским профессором Р. Брюсом Ходли рассуждали о различных аспектах прочности древесины, для простоты опуская некоторые факторы. Так, например, рассчитывая прочность ножки стула, мы рассматривали результаты статических испытаний, не принимая во внимание неравномерность строения древесины, наличие в ней дефектов, содержание влаги, время под нагрузкой или факторы безопасности. В реальной жизни мы должны иметь надежные «допустимые» значения нагрузки, которые принимают во внимание все факторы, влияющие на прочность.
ВЛАЖНОСТЬ
Сопротивление на разрыв и гибкость листа бумаги в сухом и во влажном состоянии наглядно демонстрируют влияние содержания влаги на прочность древесины. Не так ярко выражено изменение прочности древесины, когда влажность снижается ниже точки насыщения, но оно тем не менее заметно. Многие деревообработчики, особенно резчики по дереву, знают, что во многих случаях гораздо легче обработать деталь из сырой древесины и затем высушить ее. В древесину твердолиственных пород естественной влажности можно легко забить гвоздь. Высушите ее, и гвоздь только согнется.
Изменение прочности не так прямо связано с потерей связанной влаги, как, например, усушка, но прочность древесины однозначно возрастает при ее высыхании (рис. 1):
a - прочность в процентах от прочности полностью высушенной древесины
b - содержание влаги в процентах
c - эластичность при статическом изгибе Е (изменяется со скоростью 2% на 1% влажности)
d - модуль разрыва MR (изменяется со скоростью 4% на 1 % влажности)
e - сжатие в направлении параллельно волокну MCS (изменяется со скоростью 6% на 1% влажности)
Прочность древесины падает при увеличении ее влажности
Борозды на коре показывают наличие «спирального волокна»
Кольца роста в этой доске расположены по центру, но наличие трещин на пласти показывает присутствие «спирального волокна»
У этой доски «спиральное волокно» выдает наличие прожилок пятнистости
Величина добавочной прочности изменяется в зависимости от свойств древесины. Например, максимальная прочность на слом в направлении параллельно волокну и прочность в пределе пропорциональности возрастают втрое при высушивании древесины из состояния естественной влажности до полной сухости. Модуль разрыва при изгибе возрастает вдвое, а жесткость только наполовину.
ВРЕМЯ ПОД НАГРУЗКОЙ
Результаты испытаний, приводимые нами ранее, были получены при статических испытаниях, где образцы подвергались нагрузке в течение нескольких минут. Если нагружать их быстрее, они покажут большую прочность, если медленнее - меньшую. Например, дерево, нагруженное до разрушения при изгибе за одну секунду (а не за пять или десять минут, как при стандартном статическом испытании на изгиб) покажет прочность, большую на 25%. А если держать его под постоянной нагрузкой в течение десяти лет, оно покажет прочность, меньшую на 40%. Другими словами, если балка должна держать крышу десять лет, то максимальная нагрузка на нее должна составлять 60% от результатов статических испытаний. Это показывает, что в дополнение к мгновенной эластичной реакции, проявляющейся при нагрузке, существует дополнительная, зависимая от времени деформация, называемая ползучестью. При малых и средних нагрузках ползучесть незначительна. Но за большой промежуток времени, или когда нагрузка близка к максимальной, ползучесть может выразиться в заметном изгибе или даже сломе, как мы можем видеть в старых зданиях. Наука о зависящем от времени напряжении и поведении древесины под нагрузкой называется реологией.
Поскольку большинство деревянных конструкций строится в расчете на долгий срок службы, долговременная нагрузка является важным фактором при расчете допустимых нагрузок на деревянные элементы. Древесина хорошо ведет себя в отношении повторяющихся или циклических нагрузках и не приобретает усталости и хрупкости, как бетон или сталь.
ТЕМПЕРАТУРА
Прочность древесины реагирует на изменение температуры, повышаясь при ее понижении и понижаясь при ее повышении. В пределах разброса температур, встречающихся в природе, прочность сухой древесины варьирует от 2% до 5% на каждые 10 градусов. Эти изменения являются обратимыми, то есть, возвращаясь к комнатной температуре, дерево возвраF щается к прежней прочности. Воздействие высоких температур могут привести к перманентной потере прочности, размер которой зависит от значения температуры, продолжительности ее воздействия, источника температуры и влажности древесины. Например, древесина некоторых пород, будучи быстро нагретой горячим воздухом почти до точки возгорания и немедленно охлажденной, не теряет прочности. Она же, будучи нагреваемой в течение длительного времени в горячей воде при температуре около 90 градусов может привести к перманентной потере некоторых прочностных характеристик. Никто не может с точность предсказать, насколько древесина потеряет свою прочность при нагревании.
ПОПЕРЕЧНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ВОЛОКОН
В большинстве деревянных изделий - досках, балках, столбах, токарных изделиях - принято считать, что волокна располагаются параллельно центральной оси. Отклонения от такого расположения волокон и называются «поперечным волокном». Такое расположение волокон в обрезной доске бывает вызвано «винтовым» строением древесины (рис. 2) и называется «спиральным волокном». Так же оно может возникнуть из-за того, что распиловка производилась не параллельно оси ствола. Этим же может быть вызвано возникновение «диагонального волокна».
Величина «поперечности» волокна измеряется количественно, как «наклон волокна» и вычисляется, как отношение отклонения волокна к его длине (рис. 3 и 4). Наклон волокна обозначается, как «1:12» или «1 в 12». Когда наклон проявляется на двух сопредельных плоскостях, «совместный наклон» вычисляется с помощью геометрических методов (рис. 5).
Рис. 5. В простом случае, как при диагональном волокне (А) наклон волокна легко измерить по годовым кольцам на поверхности (здесь 1:8). Более часто происходит, как в В, появление годовых колец на поверхности не совпадает с направлением волокон (Х). Здесь наклон1,5:12 (1:8) вычисляется поторцевому волокну и краям.
