Механические свойства пиломатериала

Механические свойства пиломатериала проявляются при воздействии на неё внешних усилий в виде нагрузок. Пиломатериал, противодействуя воздействию нагрузки, переходит в напряженное состояние. При этом пиломатериал деформируется (сжимается, растягивается, изгибается, скручивается), а при преодолении сил сопротивления древесных частиц - разрушается.

Механические свойства пиломатериала зависят от породы, возраста, индивидуальных условий роста и положения дерева в древостое. По указанным причинам механические свойства пиломатериала определяются принятыми возрастами рубок главного пользования древесиной. Механические свойства пиломатериала от рубок ухода (получаемой при промежуточном пользовании) значительно ниже, чем у пиломатериала от рубок главного пользования. Наиболее высокие показатели механических свойств пиломатериала сосны выявлены у 150-170-летних сосен таежной зоны, выросших при стабильной полноте 0,8-0,9 в зеленомошной группе типов леса. Прочная древесина лиственных пород формируется при росте на глубоких и богатых почвах. При ненормальных условиях роста - при постоянном ветровом воздействии, росте в изогнутом состоянии, из-за развития реактивной древесины показатели механических свойств резко изменяются.

В отличие от металлов силы сопротивления пиломатериала в разных направлениях различные. Механические свойства вдоль волокон значительно выше, чем при воздействии сил нагрузки поперек волокон.

К механическим свойствам пиломатериала относятся прочность, деформативность, технологические и эксплуатационные свойства.

Прочность - способность пиломатериала сопротивляться разрушению. Деформативность - способность сопротивляться изменению размеров и формы. Податливость механической обработке различными способами определяют технологические свойства. Свойства ипломатериала с определенными показателями механических свойств сохраняться в рабочем состоянии относят к эксплуатационным. Внешние воздействия на пиломатериал, как в растущем дереве, так и в срубленном и обработанном виде могут быть статическими (плавно возрастающими), ударными (действующими внезапно, мгновенно полной величиной), вибрационными (попеременно изменяющими направление и величину нагрузки) и долговременными (действующими длительное время).

Под воздействием приложенной нагрузки в пиломатериале возникает напряженное состояние, которые принято называть силами сопротивления.

Показатели механических свойств учитываются при характеристике качеств материалов и изделий из древесины, которые подвергаются в процессе производства, эксплуатации и ремонта сжимающим, растягивающие изгибающим, крутящим и другим воздействиям. Таким же воздействиям подвергается древесина стволов растущих деревьев. Под действием ветра стволы изгибаются многократно, принимают наклонное положение или ломаются. Длительные сопротивления приводят к образованию реактивной древесины, развитию сбежистости, многовершинности, однобокой кроны. Действующие на древесину нагрузки могут быть мгновенными или ударными, статическими (плавно возрастающими), длительными постоянными (долговременными) вибрационными (меняющими величину и направление воздействия) и долговременными. Более разрушительными являются многократные знакопеременные (изменяющие свое направление), нагрузки. Ударным и статическим нагрузкам древесина сопротивляется лучше.

На древесную часть изделий нагрузки прилагаются перпендикулярно или касательно, при разных температурах, влажностях, при воздействии биогенных факторов. К тому же массивная древесина неоднородна в отличие от испытываемого на механические свойства образца. Напряжения на стволы деревьев гасятся кроной. Максимальное напряжение, достигаемое перед разрушением материала, называется пределом прочности. Оно измеряется в мегапаскалях (МПа). Изменения формы и размеров образца древесины или формы дерева начинаются деформацией. Связь между напряжениями и деформациями осуществляется через упругие постоянные, так как древесина в определенной мере рассматривается как упругое тело и подчиняющееся обобщенным законам Гука.

Технологичность - податливость обработке - пилению, строганию, скалыванию, истиранию, чинке, свойство удерживать гвозди, шурупы и другие.

Эксплуатационные механические свойства определяются сохранностью прочностных характеристик при воздействии нагрузок в эксплуатационных условиях во времени.

Прочностные и деформативные свойства пиломатериала определяются испытанием специально изготовленных образцов на испытательных машинах, прошедших поверочные испытания. Для каждого вида испытаний используются специальные приспособления. С учетом анизотропии пиломатериала принято испытывать в направлении, перпендикулярном к осям симметрии в ортотропных малых образцах.

Максимальную нагрузку, которую выдерживает образец перед разрушением, называют пределом прочности. Нагрузка (сила), приходящаяся на единицу площади, выражается в Ньютонах на I м2, или в Паскалях. Напряжения и деформации пиломатериала, как в растущем дереве, а так и в срубленной древесине возникают и без приложения внешних нагрузок вследствие неоднородного изменения влажности при высыхании частей дерева при повреждении коры. Особенно они проявляются при сушке, увлажнении и нагревании пиломатериалов. Напряжения, возникающие перпендикулярно сечению образца, называются нормальными. Напряжения, действующие в плоскости сечения образца, называются касательными.

Ветровальность, буреломность и снеголомность стволов деревьев зависят от породы, строения корней и кроны, глубины корнеобитаемых горизонтов и влажности почвы. При сильном ветровом воздействии дуб, клен, ильмовые не вываливаются и не обламываются. Ель чаще вываливается. Сосна, осина, липа и береза обламываются. Лесоводственные методы повышения ветроустойчивости лесов путем формирования опушек, правильного выбора способов рубки леса помогают сохранению в лесах деловой древесины с более высокими прочностными характеристиками.    У пиломатериала при кратковременных нагрузках между напряжениями и деформациями наблюдается почти линейная зависимость, соответствующая пределу пропорциональности. При этом с приближением считается, что древесина подчиняется известному закону Гука. Наиболее опасными напряжениями считаются растягивающие, действующие поперек волокон. Они приводят к появлению в стволах растущих деревьев метиковых и отлупных трещин, шильферон, а в обработанной древесине - внутренних трещин, расположенных параллельно волокнам.

Пиломатериал по химической структуре представляет собой комплекс полимеров с длинными цепными молекулами. Эта особенность строения пиломатериала определяет характер ее поведения под воздействием нагрузок. При приложении усилий к полимеру возникают три вида деформаций: упругие - вследствие обратимого изменения средних расстояний между частицами; высокоэластичные - связанные с обратимой перегруппировкой звеньев цепных молекул; вязкотекучие - «обусловленные необратимым смещением молекулярных цепей». Под релаксацией понимается снижение напряжения и деформации в пиломатериале, связанное с переходом частиц в равновесное состояние. Реология - наука, изучающая методы исследования течения деформации тел, обладающих пластичностью. В реологии древесины рассматриваются процессы, связанные с необратимыми деформациями тел (ползучесть, последействия), развивающимися во времени.

Часто релаксация сопровождается явлением гистерезиса, то есть запаздыванием восстановления формы. Это свойство наиболее типично для пиломатериала.

Для крупных образцов пиломатериала, у которых нельзя пренебречь кривизной годичных слоев, а также при отсутствии правильной ориентации сечений элементов конструкции по отношению к годичным слоям (доски, бруски) определяют пять независимых характеристик направлений деформации.

Испытания пиломатериала с исключением влияния кривизны годичных слоев, пороков принято проводить на малых стандартизованных образцах установленных размеров и форм. Методы механических испытаний пиломатериала стандартизованы. Испытания для каждой исследуемой породы проводятся с уметом влияния совокупности лесоводствениых факторов, возраста и положения дерева в древостое, способов выращивания и с исключением видимых пороков пиломатериала. Механические испытания проводят и с целью определения влияния на свойства пиломатериала пороков, сушки, пропитки, воздействия температуры, влажности. К исследованиям древесиноведческого порядка относится также и определение показателей механических свойств древесины круглых и пиленых лесоматериалов, заготовок с допустимыми в них пороками.

Результаты испытаний признаются достоверными лишь при соблюдении единства измерений с установленной достоверностью. Для этого техническим регламентом предусмотрено выполнение следующих требований:

соблюдение методик отбора модельных деревьев в конкретном типе леса лесорастительного района, заданного возраста, происхождения;

принадлежности к наиболее распространенному по запасу, классу роста по Крафту;

стандартной условной фаутности или более лучшей характеристики;

правильный выбор места взятия кругов для заготовки образцов, стандартных для данного вида испытаний форм и размеров;

выбор рекомендованной испытательной машины после поверки поверочной службой;

соблюдение правил кондиционирования образцов, условий проведения испытаний, вычисления полученных показателей свойств с заданной доверитель ной вероятностью и отбрасыванием грубых погрешностей.

В настоящее время методы определения показателей физико-механических свойств древесины основываются на соблюдении требований 40 стандартом (ГОСТ 36483.0-ГОСТ 16483.39).

Строгие требования к испытываемым образцам - соблюдение параллельности к одной паре противоположных граней и перпендикулярности к другой, совпадение направления волокон древесины с продольной осью образца - направлены на получение показателей с наименьшими отклонениями для доказательства принадлежности характеристик к одному ряду при меньших возможностях проявления грубых погрешностей.

Механические свойства пиломатериала сильно зависят от влажности. С увеличением влажности до предела насыщения (до 30 %) клеточных стенок древесины, результаты механических испытаний будут заниженными. Выше предела насыщения показатели механических свойств уже не изменяются, то есть остаются такими же, как и при 30% влажности. Все полученные при испытаниях данные приводятся к стандартизованной влажности. Такая величина равновесной влажности древесины достигается в среднем при выдерживании испытываемых образцов при температуре 20°+2°С и относительной влажности воздуха в помещении, где хранятся образцы, 65%+5%.

После проведения испытаний сушкой в сушильной камере определяют фактическую влажность образцов, и показатели механических свойств приводят к влажности 12%.

Для придания образцу нормальной влажности требуется 1,5-2 месяца. Для ревизуемых товаров из древесины такой срок выдерживания неприемлем как дни поставщика, так и для потребителя. Поэтому в стандартах предусмотрены ускоренные методы приведения к стандартной влажности, по которым допускается испытание образцов с влажностью, равной или выше предела насыщения неточных стенок. У свежесрубленной древесины влажность всегда выше предела насыщения.

Для испытания кроме испытательных машин требуются измерительные средства: микрометры, индикаторы, тензометры с погрешностью линейных измерений 0,1 - 0,001мм. При применении ускоренных методов образцы до и в процессе испытаний должны находиться в условиях, исключающих изменение их начальной влажности.

Узнайте больше про пиломатериалы перейти к рубрикатору