Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
. b), где (a . b) – площадь сечения образца, мм 2 Рисунок 127 – Схема испытания на прочность при сжатии вдоль волокон и размер образца В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа. В связи с тем, что механические свойства древесины зависят от влажности, для сравнения результатов испытаний предел прочности при сжатии вдоль во- локон древесины данной влажности приводят к пределу прочности древесины при стандартной 12 %-й влажности по формуле R сж (12) = R сж (W) 1 + α(W – 12) , где α – поправочный коэффициент на влажность. Для сосны, кедра, бука, ясеня, березы - 0,05; для ели, дуба и других лиственных пород – 0,04. 161 Сопротивление древесины сжатию вдоль волокон напрямую зависит от средней плотности и может быть приближенно, определяться по следующим формулам для сосны R сж (12) = 920 о (12) – 50; для дуба R сж (12) = 850 о (12) – 67. Прочность при сжатии поперёк волокон опре- деляется по схеме на рисунке 128. Здесь указана равнодействующая сил, которые либо равномерно распределены по всей поверхности образца, либо по всей ширине, но на части длины его (местное сжа- тие). И в том, и в другом случаях определяют условный предел прочности. В качестве этого пока- зателя используют предел пропорциональности, т.е. величину напряжений, до которых наблюдают ли- нейную зависимость между напряжениями и де- формациями. В среднем для всех пород он состав- ляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль во- локон. Рисунок 128 – Схема испытания на прочность при растяже- нии Испытания на прочность при растяжении проводятся на образцах другого вида (рисунок 129). Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно рас- тягивающих напряжений. Древесина имеет высокий показатель прочности на растяжение вдоль волокон. Для основных пород этот показатель колеблется в пределах 80…190 МПа. На растяжение поперек волокон древесина работает хуже (10…15 МПа). Поэтому при конструировании изделий из древесины избе- гают растягивающих нагрузок поперёк волокон. Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20х20х300 мм (рисунок 11). Предел прочности при статическом изгибе, МПа, вычисляют по формуле R w = (3/2) [(P max l) / (b h 2 )], где P max – максимальная нагрузка, Н; l – пролет, т.е. расстояние между центрами опор, рав- ный 240 мм; b и h – ширина (в радиальном) и высота (в тангенциальном) направлениях, мм. В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа. Рисунок 129 – Испытание древесины на статический изгиб Предел прочности древесины на изгиб должен быть приведен к стандартной 12 %-й влажности по формуле R изг (12) = R изг (W) 1 + α(W – 12) , где α – поправочный коэффициент на влажность, равный 0,04 для всех пород древесины. 162 Таблица 26 – Прочность широко применяемых пород древесины Порода древесины Предел прочности, МПа Торцовая твердость, МПа Ударная вязкость, Дж/м 2 при сжа- тии вдоль волокон при стати- ческом из- гибе при скалывании вдоль волокон радиальном тангенциальном Сосна обыкновенная 49 - 21 86 - 50 7,5 - 4,3 7,3 - 4,5 29 - 14 412002 - 35316 Сосна кедровая 42 - 19 74 - 43 6,6 - 4,0 7,0 - 4,3 22 - 11 31392 - 25506 Лиственница 65 - 26 112 - 62 9,9 - 6,3 9,4 - 5,8 44 - 21 51993 - 43164 Ель 45 - 20 80 - 44 6,9 - 4,1 6,8 - 4,4 26 - 12 39240 - 33354 Пихта сибирская 39 - 18 69 - 41 6,4 - 4,5 6,5 - 4,2 28 - 13 29430 - 25506 Граб 60 - 27 137 - 74 15,6 - 8,8 19,4 - 10,4 91 - 54 99081 - 84366 Ясень 59 - 33 123 - 75 13,9 - 9,4 13,4 - 8,7 80 - 48 88290 - 74556 Орех грецкий 55 - 24 110 - 61 11,0 - 5,9 11,6 - 6,1 - 74556 - 62784 Берёза 55 - 23 110 - 60 9,3 - 5,0 11,2 - 5,9 47 - 28 93195 - 78480 Бук 56 - 26 109 - 65 11,6 - 7,0 14,5 - 8,9 61 - 37 80442 - 68670 Дуб 58 - 31 108 - 68 10,2 - 7,6 12,2 - 9,0 68 - 40 76518 - 64746 Вязь 48 - 25 96 - 59 9,1 - 6,5 10,2 - 7,3 56 - 34 93195 - 78480 Липа 46 - 24 88 - 54 8,6 - 5,6 8,1 - 5,0 26 - 16 57879 - 49050 Осина 43 - 19 78 - 46 6,3 - 3,6 8,6 - 5,0 27- 16 84366 - 72594 Различают три вида испытаний на сдвиг : скалывание вдоль волокон (а), скалывание поперёк волокон (б) и перерезание древесины поперёк волокон (в). Схемы действия сил при этих испытаниях показаны на рисунке 130. При испы- таниях к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости, происходит сдвиг. Рисунок 130 – Схемы действия сил при испытании на сдвиг Для испытания на скалывание вдоль волокон применяют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке 131 . Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют по формуле T w = P max / (b . l), где (b . l) – площадка скалывания, мм 2 Величина предела прочности – касательных макси- мальных напряжений при скалывании вдоль волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от пре- дела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел проч- ности при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперёк волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон и составляет 6,5…14,5 МПа. Рисунок 131 – Испытание образца на скалывание вдоль волокон Чтобы привести предел прочности при скалывании к стандартной 12 % - й влажности пользуются формулой R ск (12) = R ск (W) 1 + α(W – 12) , где α – поправочный коэффициент на влажность, равный 0,03 для всех пород древесины. Деформативность. При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности слу- жит коэффициент пропорциональности – модуль упругости. Модуль упругости вдоль волокон Е = 12000…16000 МПа, что в 20…25 раз меньше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина. С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины жесткость её снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в "замороженные" остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении. Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гиб- кими цепными молекулами, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других поли- меров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает об- щие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени. 164 Эксплуатационные и технологические свойства Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления б д.с. , который в среднем для всех видов нагрузки составляет около 0,5…0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях. Показателем проч- ности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя вели- чина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности. При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие по- казатели – расчётные сопротивления. Они учитывают большие размеры эле- ментов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы. Удельная вязкость характеризует способность древесины поглощать рабо- ту при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше, чем у дре- весины хвойных пород. Статическая твёрдость характеризует способность древесины сопротив- ляться вдавливанию более твёрдого тела. Испытания на статическую твёрдость проводят по схеме, показанной на рисунке 132. Для испытания на твёрдость используют приспособление, которое имеет пуансон с полусферическим наконечником. Его вдавливают на глубину радиу- са. После испытания в древесине остаётся отпечаток, площадь проекции кото- рого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм 2 . Показателем ста- тической твёрдости образца, Н/мм 2 , является усилие, отнесенное к этой площа- ди. Статическая твёрдость торцевой поверхности выше, чем боковых поверхно- стей (таблица 26). Все отечественные породы по твёрдости торцевой поверхности при 12%- й влажности делят на три группы: мягкие – сосна, пихта, ель, ольха (твёрдость 35…50 Н/мм 2 ), твёрдые – дуб, граб, береза, ясень, лиственница (50…100) и очень твёрдые – кизил, самшит (более 100 Н/мм 2 ). Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величина которого тем больше, чем меньше твёрдость древесины. Рисунок 132 – Испытание образца на статическую твердость Износостойкость – способность древесины сопротив- ляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверх- ностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности тор- цевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ умень- шился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой. 165 Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления : гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. При забивании гвоздя в дре- весину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдёргиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдёргивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необхо- димые для выдёргивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдёргивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется со- противление волокон перерезанию и разрыву. Сопротивление выдергиванию гвоздя, вбитого в торец древесины, на 20…50 % меньше (в зависимости от по- роды дерева) сопротивления выдергиванию гвоздя, вбитого в боковую поверх- ность (радиальную или тангентальную). Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Спо- собность гнуться выше у кольце сосудистых пород, таких как дуб и ясень, а из рассеянно-сосудистых пород – у бука. Хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагре- том и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволя- ет вследствие образования замороженных деформаций при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали. Для сравнительной оценки качества древесины используют так называе- мые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее меха- нических свойств, отнесенные к единице плотности. Стойкость древесины против действия агрессивных сред. Длительное дей- ствие кислот и щелочей разрушает древесину, и чем выше концентрация, тем сильнее их разрушающее действие. Слабощелочные растворы не разрушают древесину. В кислой среде древе- сина начинает разрушаться при рН < 2, тогда как разрушение бетона и стали начинается при рН < 4. Хвойные породы более стойки к действию серной, азотной, соляной и ук- сусной кислот и едкого натра, чем лиственные, а из хвойных пород наибольшей стойкостью обладает лиственница. В морской воде древесина сохраняется ху- же, чем в речной или озерной воде. В воде большой бактериологической агрес- сивности стойкость древесины низка, поэтому ее использование в сетях канали- зации не допускается. 10.4 Пороки древесины Отклонение от нормального строения, повреждения и различные заболе- вания, понижающие ее качество и ограничивающие применение, называют по- роками. Пороки появляются как при росте дерева, так и при хранении на скла- дах и эксплуатации. В зависимости от причин их появления, пороки делят на следующие основные группы: зависящие от неправильного роста (формы и строения); образовавшиеся от механических повреждений, от грибковых забо- леваний и от повреждения насекомыми. Пороки строения древесины (ГОСТ 2140) 166 Косослой – непараллельность волокон древесины продольной оси сортамента (бревен, брусьев, досок). Косослой выражается в винтообразном расположении волокон. Наклон увеличивает проч- ность древесины при раскалывании, но снижает прочность пилома- териалов при растяжении и изгибе вследствие перерезания волокон древесины и затрудняет ее механическую обработку. Косослойная пилопродукция отличается повышенной продольной усушкой и ко- роблением. Крень – местное изменение строения древесины, когда кольца поздней и ранней древесины имеют разную толщину и плотность по обе стороны сердцевины. Она свойственна наклонно стоящим и искривленным деревьям, особенно хвойным. Крень нарушает однородность древесины. Свилеватость – волнистое или беспорядочное расположение волокон дре- весины, чаще встречающееся у лиственных пород, преимущественно в комле- вой части ствола. Свилеватость снижает прочность древесины, затрудняет ее обработку, особенно стружку и теску. Свилеватая древесина ореха, березы и ясеня имеет красивый рисунок текстуры, поэтому они используются в дизайне. Двойная сердцевина – характеризуется наличием двух серд- цевин в торцовом сечении ствола, встречается при двухвершинно- сти дерева. Этот порок затрудняет обработку древесины, увеличи- вает количество отходов и склонность к растрескиванию. Пасынок – отмершая вторая вершина или толстый сук, про- низывающий ствол под острым углом к его продольной оси. Ухудшает однородность и механические свойства древесины. Ройка – наружные продольные углубления в комлевой части ствола, связанные с корневыми наплывами. Ройка служит одной из причин искусственного косослоя в пиломатериалах и в зависи- мости от глубины и протяженности может понизить сортность бревна. Пороки формы ствола Сбежистость – это уменьшение диаметра круглых лесоматериалов от тол- стого к тонкому концу (от вершины к комлю), превышающего нормальный сбег, равный 1 см на 1 м длины бревна. Сбежистость увеличивает отходы при распиловке и лущении бревен, обусловливает появление радиального наклона волокон, следовательно, и снижение прочности материалов. Закомелистость – резкое увеличение диаметра комле- вой (нижней) части круглых материалов или вершины необ- резанной пилопродукции. Увеличивает отходы при распи- ловке и раскрое лесоматериалов, искусственно вызывает ко- сослой. Кривизна – искривление продольной оси бревен, обусловленное кривизной ствола дерева. Она бывает простая и сложная (характе- ризуется несколькими изгибами). Уменьшает выход пиломатериа- лов. Косослой Крень Двойная сердцевина Пасынок Ройка Закомелистость Кривизна 167 Метик – представляет собой одну или несколько широких внутренних, направленных радиально продольных трещин, проходя их через сердцевину ствола и не доходя до его периферии. Различают метик простой (две трещины на торце в одной плоскости) и крестовый (более двух трещин, расположенных в разных плоскостях), каждый из них мо- жет быть согласным (по стволу) и несогласным (винтообразный). Отлупом называют внутреннюю трещину, идущую по годово- му слою и распространяющуюся на некотором протяжении вдоль бревна, порок вызывается действием мороза. Нарушая целостность древесины, отлуп портит качество пиломатериалов. Морозобоиной называется наружная продольная трещина, бо- лее широкая на периферии ствола и постепенно сужаю- щаяся в направлении к центру. Нарушает целостность древесины, уродует форму ствола и может способство- вать появлению гнили, что снижает сортность древесины. Трещины усушки встречаются очень часто в древе- сине почти всех пород. Они образуются при высыхании древесины ниже точки насыщения волокон и распространяются от поверхности вглубь. Нарушая це- лостность древесины, трещины усушки снижают ее механическую прочность, гниение. Сучками называют заключенное в древесине ствола основание ветвей, жи- вых или отмерших при жизни дерева. Сучки вредны потому, что нарушают од- нородность строения дерева: около них волокна искривляются, что понижает прочность древесины, особенно при растяжении. Степень ослабления древеси- ны сучками зависит от их числа, размеров и расположения (рисунок 133). Осо- бенно опасны сучки для элементов строительных конструкций, работающих на растяжение (растянутые пояса ферм и растягиваемые зоны балок). Рисунок 133 – Виды сучков сосны: а – светлый здоровый; б – гнилой; в – табак а б в По состоянию древесины сучка и степени срастания его с древесиной вы- деляют твердые сросшиеся (здоровые, роговые, окрашенные), твердые частич- но сросшиеся и несросшиеся (выпадающие, рыхлые, табачные). По форме суч- ки подразделяются на круглые и овальные, а по взаимному расположению – на разбросанные, групповые (лапчатый) и разветвленные (сшивные). Грибковые поражения вызывают простейшие растительные организмы – грибки, которые развиваются из спор, заносимых в древесину ветром, водой и насекомыми. Одни грибки изменяют только окраску древесины, почти не влияя на физико-механические свойства (деревоокрашивающие) , другие не только из- меняют цвет, структуру и свойства древесины, но и разрушают ее, образуя гниль (дереворазрушающие) Метик Отлуп Морозобоина 168 Питательной средой для деревоокрашивающих грибков служит только содержимое клеток. Эти грибки не затрагивают клетчатку и поражают преиму- щественно растущий лес или срубленную древесину, пока она не утратила сво- их соков (рисунок 134). а б в Рисунок 134 – Грибковые поражения: а – бурая трещиноватая гниль (ель); б – мягкая заболонная гниль (береза); в – наружная трухлявая гниль (сосна) К таким поражениям относят складские грибки, например Cerastomella, вызывающие синеву. Другие окраски в виде сплавной желтизны, кофейной темнины, чернильных пятен на древесине, богатой дубильными веществами, заболонной краснины вызывают грибки, сходные с грибками синевы, вызыва- ющих синеву. Питательной средой для дереворазрушающих (сапрофитных) грибков является целлюлоза. Гифы – нитевидные клетки, образующие грибни- цу, выделяют фермент, который превращает нерастворимую в воде целлюлозу (полисахарид) в растворимую глюкозу (моносахарид): (С 6 Н 10 О 5 ) n + mН 2 О → (С 6 Н 12 О 6 ) n , служащую для питания и дальнейшего развития грибков. В теле грибка глюкоза окисляется кислородом воздуха, образуя углекислый газ и воду: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О. Древесина при этом меняет окраску, масса ее уменьшается, нарушаются связи между волокнами, она покрывается сетью продольных и поперечных трещин и распадается на призматические ил кубические участки или становит- ся трухлявой. К этой группе грибных поражений относят ядровую – внутрен- нюю (ситовую, трухлявую и белую), заболонную и наружную гнили. По условиям образования грибки подразделяют: на лесные (туто- вик, опенок, вешенка), биржевые (стволовой, складской) и домовые Настоящий домовой (Merulius lacrumans) – самый опасный из всех грибков дереворазрушите- лей. Признаком его появления является образование белого пуха с яркими желтыми пятнами и капельками влаги. Гриб белый домовой (Poria vaporaria) ме- нее опасный. Признаком его появления является белая грибница на всех стади- ях развития. Гриб шахтный ( Pacsillus acheruntius ) поражает древесину, закопан- ную в землю. Признаком появления этого грибка является образование золоти- сто-желтого оттенка на древесине, переходящего в дальнейшем в бурый цвет. 169 Стволовой грибок ( Lenzites sepiaria ) образует деструктивную гниль, глав- ным образом на круглых бревнах хвойных пород. Мрамор – это гнилостное по- ражение древесины, преимущественно лиственных пород после рубки, вслед- ствие процесса «задыхания». Древесина, пораженная «мрамором», непригодна для изготовления из нее строительных конструкций и деталей. Биологические повреждения включают три вида: червоточина, поврежде- ние паразитами растениями и птицами. Насекомые расселяются преимуще- ственно на свежесрубленных, а также на сухостойных и ослабленных деревьях на корню. Особенно большой вред древесине растущих деревьев приносят короеды, усачи, дубоеды и их личинки и другие насекомые (ри- сунок 135). Рисунок 135 – Личинка майского жука Для конструкционной древесины опасными являются домовой точиль- щик жук, который поражает стропила, чердачные балки, наружные стены до- мов, подоконники и заборы. Непоправимый вред деревянным зданиям наносит термит, который помимо древесины повреждает даже бетон. Для материалов, работающих под водой опасен корабельный червь (или шашень – Teredo navalis). Повреждения, наносимые насекомыми, носят общий термин – червоточи- на. Червоточиной называют ходы и отверстия, проделанные в древесине насеко- мыми. Различают червоточину поверхностную, проникающую не более 3 мм (короед, лубоед), неглубокую (на 15 мм), глубокую и сквозную. В группе пороков «Инородные включения, механические повреждения и по- роки обработки» выделяют 32 вида. К этим порокам относится обугленность и обдир коры, кора и скос пропила, обзол (тупой, острый) и закорина, риски и ворсистость, мшистость и накол, царапина и выхват, гребешок и недошлифова, ожог и т.д. |