Деревообрабатывающее оборудование
и комплексный инжиниринг

Прочность древесины

Продолжение (начало см. GE-News № 46-51)

С снова здесь наш старый знакомый, Р. Брюс Ходли – доктор, профессор Массачусетского университета США. Он преподает курс «Строительные материалы и технологии деревообработки». Вот, что он сам пишет о себе на страницах университетского Интернет-сайта:

«В рамках нашего курса я отвечаю за преподавание анатомии древесины и фундаментальных свойств дерева, равно как и за базовые технологии его обработки. Мое теперешнее исследование сфокусировано на идентификации древесины и ее взаимоотношению с влагой, особенно в том, что касается размерных изменений. Эти и другие вопросы рассматриваются в двух моих книгах «Понимая дерево» и «Идентифицируя дерево». Также я являюсь одним из редакторов и техническим консультантом журнала «Высококлассная деревообработка». Еще я преподаю курс «Идентификация древесины» в Институте углубленного образования. В качестве профессионального консультанта я проводил идентификацию древесины предметов мебели и сопутствующих видов искусства в нескольких ведущих музеях Соединенных Штатов. Также я выступаю в качестве судебного эксперта в гражданских и уголовных делах, рассматривающих предметы из дерева или деревянные вещественные доказательства».

В прошлом номере нашего журнала мы перешли к рассмотрению факторов, влияющих на прочность древесины, и дошли до поперечного расположения волокон в деталях из дерева.

Продолжим, вместе с профессором Ходли:
Визуальное определение направления волокон может быть крайне обманчивым. За исключением поверхностей стопроцентно радиального распила, стремления использовать кольца роста в качестве индикатора направления волокон следует избегать. За исключением поверхностей стопроцентно тангентального распила, сердцевинным лучам доверять нельзя. Рассмотрение линейных анатомических черт, видимых глазу, таких как смолистые каналы мягких пород и сосуды твердолиственных – вот, что может принести пользу. Так же полезно протереть дерево слабым раствором чернил или маркером с мягким пишущим элементом. Тогда направление волокон проявится в виде тонких линий, расположенных вдоль продольных элементов. Также можно воспользоваться чертилкой (скрабером), которая сама «пойдет по волокну» при движении вдоль детали. Хорошо потренироваться в умении определять истинное направление волокон на коротких брусках, переламывая их потом в качестве проверки.


Прямое направление волокна является очень важным фактором, определяющим прочность древесины. В спецификациях часто вводятся ограничения на величину отклонения волокон от параллельности линейным размерам деталей строительного предназначения, особенно для тех, что предназначены для изготовления лестниц. Принято считать, что напряжения, вызванные нагрузкой на древесину параллельно оси детали, будут совпадать с направлением волокна и встретят сопротивление сильнейшей прочности древесины на разрыв или сжатие в направлении параллельно волокну. Результат отклонения направления волокна от оси детали будет зависеть от степени участия «в игре» более слабого компонента – прочности в направлении перпендикулярно волокну (рис. 1).

Прочность на сжатие менее зависима от этой характеристики. Отклонение волокна до величины 1:10 имеет незначительный эффект, а отклонение, не превышающее величины 1:5 дает потерю прочности лишь в 7%. Прочность на изгиб и растяжение однако показывает гораздо более сильную зависимость. Предел прочности при изгибе и модуль упругости при разрыве, например, теряют 20% от своего значения при отклонении волокна до величины 1:10, и 45% при отклонении волокна до величины 1:15.

Изменчивость и разнообразие

Ранее мы упоминали о том, что разница в плотности различных пород древесины может отличаться в двенадцать раз. Это разнообразие можно легко проиллюстрировать сравнением размеров клеток и толщиной их стенок у разных пород (рис. 2). Средняя специфическая плотность по каждой породе является, пожалуй, наиболее значимым фактором прочности.

Но даже в пределах одной породы дерево может серьезно варьировать по плотности и прочности, и самый прочный образец (с прямолинейным расположением волокон и лишенный дефектов) может быть в два раза прочнее самого слабого образца той же породы. Так, например, если средняя максимальная прочность на слом в направлении параллельно волокну для какой-нибудь породы древесины составляет 4500 psi (psi – американская мера давления, 1 фунт веса на 1 дюйм площади, 1фунт = 0,453 кг, 1 дюйм = 25,4 мм – ред.), то можно ожидать, что прочность отдельных образцов будет варьировать от 3000 до 6000 psi. Такой разброс несомненно вызван изменениями плотности. Определить подлинную плотность можно взвешиванием образца. Однако, отчасти он вызван различиями в клеточной структуре и спрогнозирован быть не может.

У некоторых пород древесины прогнозирование плотности все-таки возможно, будучи основано на знаниях о скорости роста. У хвойных пород, особенно у тех, что характеризуются неравномерностью структуры волокон, например, у сосны, толщина более плотной и более прочной поздней древесины точно зависит от изменений в скорости роста. Когда дерево растет быстро, более широкие годовые кольца содержат больше ранней древесины, а с уменьшением скорости роста кольца ранней древесины становятся уже (рис. 3). Более широкие годовые кольца древесины хвойных пород имеют больший процент ранней древесины и, соответственно, являются менее прочными. Скорость роста, измеряемая в количестве колец на дюйм, имеет большое значение при визуальной оценке прочности строительных материалов.

У кольцеобразно пористых пород, таких как дуб и ясень ширина колец крупнопористой ранней древесины варьирует мало, так что их прочность зависит от объема более плотной поздней древесины. Таким образом, быстрый рост дает более плотный материал (рис. 4). Среди диффузно-пористых твердых пород скорость роста не отражается на прочности. Помимо этих нескольких индикаторов, разнообразие прочности бездефектной древесины трудно распознать.

По сути, значительной разницы в прочности сердцевинной и заболонной древесины в пределах одной породы не наблюдается. В некоторых случаях предпочтительно использовать сердцевинную, по причине ее сопротивляемости старению. С другой стороны, заболонная древесина лучше впитывает консерванты и может быть обработана так, что будет сохранять прочность еще дольше.

Локальные дефекты

Слово «дефект» – довольно рискованный термин, чтобы его использовать без определения. В этом разделе он относится к неравномерности свойств дерева, влияющих на его прочность. К примеру, сучок может обладать визуальной привлекательностью, но однозначно вредно влияет на прочность.

Сучки, несомненно, являются самым частым дефектом, что неудивительно, ведь все деревья имеют ветви. Сучок понижает прочность двумя путями. Сам сучок имеет аномальную клеточную структуру, направленную под углом к окружающему волокну, и сросшийся сучок не соединен с окружающей материей. Более того, область вокруг сучка обычно состоит из волокна с поперечным направлением, что приводит с серьезной потере прочности. Степень такой потери может быть различной: от почти нулевой в случае с маленьким круглым игольчатым сучком до максимально полной, как в случае с большим твердым выпадающим сучком, когда доска разваливается сама. Чтобы подстраховаться, представьте себе, что сучок и окружающая его область просто вырезаны из дерева. Имея дело с сучковатой древесиной, посмотрите мысленно на то, что останется, после того, как вы уберете все сучки, и примите решение.

Тонкие трещины, продольные трещины и расщепления являются пустотами в теле дерева. От них всегда следует ожидать, что они распространяются дальше, чем это видно. Трещины от усушки могут быть частично скрытыми. Хотя визуально это приемлемо, они всегда повлияют на прочность изделия. Слом в направлении, перпендикулярном волокну, или трещина вдоль волокна могут явиться продолжением существующих трещин при значительно меньшей нагрузке, чем если бы изделие не имело дефектов.

Дефекты надо пристально оценивать с точки зрения способа приложения нагрузки. Например, кольцевая трещина, полностью скрытая в сердцевине, серьезно повлияет на прочность, если дерево используется в качестве балки, и никак не отразится, если это – короткая колонна. При нагрузке на изгиб месторасположение дефекта имеет огромное значение. Большой круглый сучок, расположенный по оси подпорки не страшен, а в балке недопустим.

Гниль, даже на ранней стадии, влияет на ударную вязкость древесины. Развитие гнили оказывает влияние на все свойства древесины, что, в конечном итоге, может привести к потере прочности. Наиболее безопасным будет предположить, что там, где имеются признаки гнили, дерево ослаблено. Хотя синева не влияет на прочность, ее наличие позволяет предположить, что существуют или существовали условия, благоприятные для зарождения гнили, и стало быть такую древесину надо держать под подозрением. Однако посиневшая, но затем высушенная древесина, содержащаяся в сухих условиях, опасности не представляет.

Разнообразные небольшие дефекты древесины могут составить длинный список, включающий в себя входные отверстия, сделанные насекомыми, смоляные и користые кармашки, ядровую гниль, обзол, птичьи дупла и др. После тщательного осмотра детали на предмет наличия физических повреждений и дефектов, здравый смысл подскажет вам, насколько сохранилась ее прочность.

Список номеров