Что такое упругость древесины?
Один из важных технологических показателей древесины и полученных из неё пиломатериалов – модуль упругости. Показатель необходимо учитывать при расчетах прогибов деревянных конструкций, на которые ложится существенная нагрузка – каркасов сооружений, балок перекрытий. Эти конструкции могут достигать в длину 120м, необходимо определить их прочность с учётом прогиба.
Определение модуля упругости
Упругость – способность материала возвращаться к исходной форме после удаления нагрузки. Массив древесины сформирован из волокон целлюлозы, расположенных в одном направлении параллельно друг другу. Это оказывает влияние на свойства, существенно зависящие от направления волокон.
На модуль упругости пиломатериалов влияют следующие факторы:
- Упругости древесины противоположно значение влажности. Чем выше влажность, тем меньше возможность вернуться к исходной форме.
- Прямослойность – извилистое, беспорядочное расположение волокон делает материал менее эластичным. Чем прочнее волокна переплетены друг с другом, тем сильнее они противостоят внешним нагрузкам.
- Для плотной древесины характерны более высокие показатели упругости.
- С возрастом гибкость древесной структуры увеличивается, старые деревья плотнее, модуль упругости в 1,5-2 раза выше, чем у молодых.
- Природные особенности, например, чем мельче сердцевинные лучи, тем более упругая сердцевина.
- Возраст древесины, самые старые части располагаются ближе к центру, ядро менее упругое, чем заболонь.
С точки зрения физики модуль упругости – это отношение приложенной силы к значению относительной деформации. Если сила превышает способность к противодействию, возникает остаточная деформация, которая может сгладиться с течением времени при колебании влажности или температуры. При увеличении нагрузки наступает предел, пиломатериал ломается. Чем быстрее древесные волокна возвращают первоначальную форму после прекращения действия нагрузки, тем выше предел прочности.
Нормативная документация
Модуль упругости строительных материалов необходимо учитывать, чтобы обеспечить безопасность людей при возведении зданий и сооружений. Нормативные документы, а именно ГОСТ 16483.9-73, содержит определение показателя, особенности расчётов и проектирования конструкций из древесины. Стандарт распространяется на древесину, устанавливает методику определения модуля упругости при статическом изгибе. Эти методы не распространяются на материалы, используемые в авиастроении.
Для испытания готовят прямоугольные бруски сечением 20х20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм, прикладывают изгибающие усилия перпендикулярно или под углом к радиальной поверхности. Образец неоднократно нагружают по определённой схеме, по окончании испытания определяют влажность в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.7-71, рассчитывают показатель по формуле.
При расчетах определяют следующие показатели:
- значение вдоль волокон – Еа;
- поперёк, тангенциально – Еt (усилие направлено по касательной к годичным кольцам);
- поперёк, радиально – Er (усилие приложено перпендикулярно к годовым слоям).
У всех пород деревьев показатель Еа выше остальных в 20–90 раз из-за яркой анизотропии массива древесины, физические свойства сильно разнятся в зависимости от наклона волокон.
Показатели модуля упругости для распространённых пород деревьев:
| Порода дерева | Растяжение | Сжатие |
|---|---|---|
| Дуб | Еа – 14300, Еt – 890, Er – 1160; | Еа – 14300, Еt – 970; Er –1340, статический изгиб – 15400. |
| Сосна | Еа – 12100, Еt – 500; Er – 580; | Еа – 12100, Еt – 570; Er – 690; статический изгиб – 12600. |
| Ель | Еа – 14600, Еt – 490, Er – 690; | Еа – 14500, Еt – 430, Er – 660; статический изгиб – 11000. |
| Береза | Еа – 18300, Еt – 490, Er – 670; | Еа – 16100, Еt – 520, Er – 670; статический изгиб – 15400. |
Массив дерева с высоким модулем упругости используют для изготовления спортивных снарядов, мебели, лестниц, балок, пролетов. Самые высокие показатели у ясеня, бука, лиственницы.