§ 1.1. Сырьевая база применения древесины в строительстве

Советский Союз — самая богатая лесом страна в ми­ре, запасы древесины в которой определяются примерно 80 млрд. м3, что составляет около 40 % мировых запа­сов. Основные лесные ресурсы СССР сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке, занимая 73 % всей пло­щади лесов СССР. Преобладающими породами являют­ся хвойные: лиственница 37 %, сосна 19, ель и пихта 20, кедр 8%. Запасы березы, являющейся основным сырьем для фанерной промышленности, составляют около 13%.

Для выполнения целевой комплексной программы увеличения выпуска пластмасс, клееных деревянных конструкций, древесных плит, картона и других видов продукции химической, деревообрабатывающей и целлю­лозно-бумажной промышленности необходимо упорно и настойчиво заниматься ускорением научно-технического прогресса.

В строительную практику все шире внедряются про­грессивные деревянные конструкции заводского изготов­ления; должно существенно возрасти использование от­ходов лесной и деревообрабатывающей промышленнос­ти. Ответственная роль в выполнении этой задачи при­надлежит проектировщикам-конструкторам.

§ 1.2. Анатомическое строение древесины — основа для правильного понимания ее механических и физических свойств

Деревянные строительные конструкции в основном изготавливаются из древесины хвойных пород (сосна, ель, лиственница), поэтому ограничимся рассмотрением анатомического строения древесины хвойных пород, которая отличается от древесины лиственных пород прос­тотой и однообразием структуры.

Рис. 1.1. Главные разрезы ствола

П — поперечный;     Р — радиальный; Т — тангенциальный

На поперечном сечении ствола дерева (рис. 1.1) различают следующие части: под корой расположен тон­кий слой камбия, отлагающего древесину и работающего с различной интенсивностью, так как деятельность его зависит и от внешних условий. Камбиальной зоной обыч­но называют слой камбия вместе с молодыми, еще не дифференцированными элементами древесины. В расту­щем дереве камбий обусловливает прирост древесины и коры. В центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диа­метром 2—5 мм.

Вся основная древесина, расположенная между то­неньким слоем камбия и сердцевиной, состоит из двух частей, немного отличающихся одни от других цветовы­ми оттенками — внутренняя зона, более темная, называ­ется ядром, а более светлая заболонью. С возрастом размеры ядра увеличиваются за счет перехода части заболонной древесины в ядровую, а ширина заболони постепенно уменьшается. В то же время процент площади поперечного сечения ствола, приходящийся на заболонь, увеличивается с переходом вверх по стволу.

На поперечном сечении ствола можно увидеть кон­центрические слои, окружающие сердцевину. Каждое такое кольцо представляет собой ежегодный прирост древесины и называется годичным слоем. Ширина годичных слоев колеблется в зависимости от возраста, поро­ды, условий произрастания и положения в стволе.

Древесина состоит из клеток двух видов — прозенхимных и паренхимных. Прозенхима происходит от греческих слов «проз»—«удлиненное» и «енхима»— наполненное, а паренхима от латинского слова «пар»—«одина­ковый» и от греческого слова «енхима». Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. К. прозенхимным клеткам от­носятся трахеиды — полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Среднее отношение дли­ны этих клеток к их размерам в поперечном сечении при­близительно равно 50—60.

Установлено, что в 1 см3 древесины приблизительно размещается 420000 трахеид. Основными элементами древесины хвойных пород являются трахеиды, которые занимают свыше 90 % общего объема древесины.

Паренхимные клетки в хвойной древесине входят в состав сердцевинных лучей. В растущем дереве по серд­цевинным лучам происходит движение питательных ве­ществ и воды в горизонтальном направлении в период вегетации, а в период покоя в них хранятся запасные питательные вещества. В процессе роста трахеиды свои­ми заостренными концами врастают между другими ана­томическими элементами или себе подобными элемен­тами.

Таким образом, стыкование трахеид в продольном направлении, решаемое природой, является подсказкой решения стыка в растянутых клееных элементах с по­мощью так называемого стыка «на ус».

Трахеиды хвойных пород выполняют не только свой­ственные им проводящие функции, но и механические. Трахеиды ранней части годичного слоя (рис. 1.2, а) об­ладают тонкими стенками и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя име­ют более толстые стенки и малые полости (рис. 1.2,6). Резкость перехода между ранней и поздней древесиной в пределах одного годичного слоя неодинакова у разных представителей хвойных пород (у лиственницы — рез­кий, а у сосны менее резкий). Но даже при таком замет­ном переходе как у лиственницы можно установить про­межуточные ряды клеток, которые нельзя отнести по их форме ни к ранней, ни к поздней древесине. На (рис. 1.3) показана объемная схема микроскопического строе­ния сосны.

Рис. 1.3. Схема микроскопиче­ского строения древесины сос­ны

тр —трахеиды; о. п. — окаймлен­ные поры; в. с. х. — вертикальный смоляной ход; с. л. -сердцевинный луч; г. с. — годичный слой; р. д. — ранняя (весенняя) древесина; п. д.— поздняя (летняя) древесина.

Рис. 1.2.    Поперечное    сечение ранних и поздних трахеид сосны

На основе современных исследований установлено, что стенки клеток трахеид представляют собой слоистую оболочку (рис. 1.4). В стенке каждой нормальной трахеиды различают: тонкую первичную оболочку Р, значи­тельно более толстую вторичную оболочку S, состоя­щую из наружного слоя Si, среднего слоя $2 и внутренне­го слоя 53. Трахеиды связаны между собой аморфным межклеточным веществом срединной пластинки М, ок­ружающей каждую клетку (рис. 1.4). Каждый слой обо­лочки трахеид состоит из микрофибрилл, основой которых является кристаллическая целлюлоза, инкрустиро­ванная матриксом аморфных или паракристаллических полимеров, стабилизирующих структуру микрофибрилл.

Рис. 1.4.  Схема строения               Рис. 1.5. Микрофибриллы во вторичном слое S растения  обо­лочки трахеид                                                         валония, увеличенные в 12000 раз                                                                                        (по данным К. Мюлетгалера)

Рис. 1.6. Поперечное сечение ранних и поздних трахеид лиственницы

В составе стенки клетки особую роль играет лигнин. Если высокая прочность при растяжении обеспечивает­ся в основном целлюлозными микрофибриллами, то лиг­нин придает оболочке прочность на сжатие. Невольно возникает аналогия между микрофибриллами и армату­рой, а также между лигнином и бетоном.

Микрофибриллы ориентированы различно в слоях Р, S\, S2 и S3. В слое Р они преимущественно располагают­ся поперек оси трахеид, а в слоях Sb 82 и S3 по спирали под разными углами (рис. 1.5). Все слои стенок трахеид отличаются одни от других не только углами наклона микрофибрилл по отношению к продольной оси клеток, но и толщиной; которая для отдельных слоев, как и у всей толщины стенки клетки, неодинакова для различ­ных пород древесины (рис. 1.2 и 1.6). Изменчивость так­же наблюдается в пределах одного вида дерева, что мо­жет быть следствием различия условий произрастания. От толщины стенок клеток зависит плотность древесины.

Исследования В. Е. Вихрова показали, что у поздних трахеид вторичная оболочка и срединная пластинка вдвое толще, чем у ранних. Однако соотношение между слагающими клеточную стенку оболочками в обоих случаях одинаково. Целлюлозные микрофибриллы обычно представляют собой тяжи шириной 10—25 нм (послед­няя величина является максимальной).

В древесине хвойных пород из паренхимных клеток состоят в основном многочисленные сердцевинные лучи (см. рис. 1.3). Они узкие, преимущественно однорядные, но среди них встречаются и многорядные лучи со смоля­ным горизонтальным ходом посредине. У сосны, ели и лиственницы кроме паренхимных клеток лучи содержат трахеиды.

Только на основе глубокого анализа микро- и субмик­роструктуры древесины можно раскрыть действительный характер и особенности механических свойств древеси­ны как материала для строительных конструкций.

§ 1.3. Влага в древесине

Различают два вида влаги, содержащейся в древеси­не, — связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную). Связанная влага находится в толще клеточ­ных оболочек, а свободная в полостях клеток и в меж­клеточных пространствах. Кроме свободной и связанной влаги различают влагу, входящую в химический состав веществ, которые образуют древесину (химически свя­занная влага). Эта влага имеет значение только при хи­мической переработке древесины.

Максимальное количество связанной влаги называет­ся пределом гигроскопичности или пределом насыщения волокон древесины и составляет 30%. Дальнейшее уве­личение влажности может происходить только за счет свободной влаги, т. е. путем заполнения пустот в древе­сине. При изменении влажности от нуля до предела на­сыщения клеточных оболочек объем древесины увеличи­вается (разбухает), а снижение влажности в этих пре­делах уменьшает его размеры (усушка). Чем плотнее древесина, тем больше ее разбухание и усушка. Соответ­ственно различны разбухание и усушка у поздней, более плотной, и у ранней древесины.

Рис. 1.7. Деформации древеси­ны при усушке

Установлено, что линейная усушка вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях существен­но различаются. Усушка вдоль волокон древесины обыч­но так мала, что ею пренебрегают, усушка в радиальном направлении колеблется в пределах 2—8,5%, а в тан­генциальном направлении 2,2—14%. Следствием такой неравномерности усушки является коробление досок при высыхании (рис. 1.7). При увеличении влажности свыше точки насыщения волокон, когда влага занимает полос­ти клеток древесины, дальнейшего разбухания не проис­ходит.

Процесс высыхания древесины состоит из испарения влаги с поверхности и перемещении ее из внутренних, более влажных слоев, к наружным. Испарение влаги с поверхности древесины происходит быстрее, чем продви­жение влаги изнутри к периферии, что обусловливает не­равномерность распределения влажности; в тонких пи­ломатериалах эта неравномерность обычно невелика и быстро уменьшается; в толстых элементах влажность выравнивается медленно и неравномерность ее распреде­ления в начале высыхания может быть значительной. Чем выше плотность древесины, тем меньше скорость высыхания. Влагопроводность в радиальном направле­нии несколько больше, чем в тангенциальном, что объяс­няется влиянием сердцевинных лучей. Установлено, что в хвойных породах между радиальной и тангенциальной усушкой древесины поздней зоны годичных слоев су­ществует небольшое различие, а тангенциальная усушка ранней зоны в 2—3 раза превосходит радиальную. Све­жесрубленная древесина содержит 80—100 % влаги, причем влажность заболони хвойных пород в 2—3 раза больше влажности ядра. Влажность сплавной древеси­ны доходит до 200%. Конечная влажность древесины после сушки должна соответствовать ее равновесной влажности в условиях эксплуатации.

§ 1.4. Химическая стойкость древесины

Древесина является химически более стойким мате­риалом, чем металл и железобетон, поэтому деревянные конструкции можно рекомендовать для применения в зданиях с химически агрессивной средой. В зависимости от вида химической агрессии древесину можно использо­вать без дополнительной защиты или защищая ее по­краской или поверхностной пропиткой. Применение де­ревянных конструкций целесообразно при строительстве складов для таких агрессивных сыпучих материалов, как калийные и натриевые соли, минеральные удобрения, разрушающие сталь и бетон.

Древесина по-разному реагирует на действие хими­ческих веществ. При обычной температуре плавиковая, фосфорная и соляная (низкой концентрации) кислоты не разрушают древесину. Серная кислота при концентрации более 5 % и особенно азотная кислота разрушают древесину и при низких температурах. Большинство органиче­ских кислот при обычной температуре не ослабляют дре­весину; она устойчива к действию уксусной, муравьиной, лимонной и других кислот. Горячие растворы органичес­ких кислот разрушают древесину, особенно при увеличении концентрации и повышении температуры. Газовые среды, например серный или сернистый ангид­рид, вредно действуют на древесину при наличии ув­лажнения и повышенной температуры.

Для зданий с химически агрессивной средой следует применять главным образом сплошные, монолитно скле­енные безметальные конструкции, не имеющие зазоров и щелей. Для покрытий лучше всего подходят клеефанерные панели, имеющие гладкую поверхность без вы­ступающих частей.

§ 1.5. Физические свойства древесины

Плотность. Древесина имеет трубчато-волокнистое строение. Плотность ее зависит от породы, количества пустот, толщины стенок клеток и содержания влаги; она может быть различна даже в пределах одной и той же породы. Плотность в значительной степени зависит и от влажности.

Температурное расширение. Линейное расширение при нагревании, характеризуемое коэффициентом линей­ного расширения, в древесине различно вдоль волокон и под углом к ним. Как известно, коэффициент линейного температурного расширения вдоль волокон в 7—10 раз меньше, чем поперек волокон, и в 2—3 раза меньше, чем у стали. Незначительное линейное расширение от тепла вдоль волокон позволяет в деревянных зданиях и соору­жениях отказаться от устройства температурных швов.

Теплопроводность. Трубчатое строение клеток дре­весины превращает ее в плохой проводник тепла. Теп­лопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Чем больше плотность и влажность дре­весины, тем больше ее теплопроводность. Малая тепло­проводность древесины поперек волокон является осно­вой широкого применения ее в ограждающих частях отапливаемых зданий, в результате чего толщина дере­вянных стен по сравнению с кирпичными значительно меньше.

§ 1.6. Механические свойства древесины

При всей относительной стройности структуры хвой­ных пород древесины ее трахеиды не стандартны, что является основной причиной изменчивости ее механиче­ских свойств.

Механические свойства древесины, являющейся при­родным полимером, изучаются на- основе реологии — науки об изменении свойств веществ во времени под действием тех или иных факторов, в данном случае на­грузок. Известно, что при быстром, кратковременном действии нагрузки древесина сохраняет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформа­циям. При длительном действии неизменной нагрузки де­формации во времени существенно увеличиваются. Если задать древесине неизменную во времени деформацию, например определенный прогиб изгибаемому элементу, то напряжения в нем с течением времени уменьшают­ся - релаксируют, хотя деформация не меняется.

Реологические свойства древесины учитываются при назначении расчетных сопротивлений. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после ее прило­жения в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточ­ные деформации. Упругие и эластические деформации обратимы — они исчезают после снятия нагрузки в тече­ние малого (упругие деформации) или более или менее длительного (эластические деформации) промежутка времени. Остаточные деформации, являющиеся необра­тимой частью общих деформаций, остаются и после сня­тия нагрузки.

Для обоснованного назначения размера элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных силовых воздействиях, которая зависит от размера пороков, в основном сучков, ослабляющих сечение.

Благодаря особенностям строения древесина являет­ся анизотропным материалом, ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направле­нием волокон. При совпадении направления силы и во­локон прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз мень­ше, если сила действует под большим углом к волокнам.

Рис. 1.8. Стандартные образцы для определения   временных   сопро­тивлений (предела прочности) древесины

а—растяжение  вдоль   волокон;   б — поперечный   изгиб;   в — сжатие   вдоль   во­локон;    г —скалывание  вдоль   волокон;   и — смятие   поперек   волокон

Для обоснованного расчета элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных видах напряженного состояния и при разно­образном их сочетании (при сложном напряжении). До настоящего времени основой для определения несущей способности конструктивных деревянных элементов слу­жит предел прочности древесины, определяемый испыта­нием стандартных образцов, выполняемых из чистой, без всяких пороков древесины (рис. 1.8). Однако некоторые из этих образцов не дают правильного ответа на вопрос о величине предела прочности. Так, например, стандарт­ный образец на скалывание вдоль волокон не работает на чистый сдвиг. По плоскости разрушения в нем возни­кают неравномерные напряжения сдвига в сочетании с неравномерными нормальными напряжениями сжатия и растяжения поперек волокон.

Тем не менее согласно установленному методу, со­противление древесины скалыванию определяют как со­противление чистому сдвигу, что не соответствует действительности. Чистый сдвиг возможен только при работе элемента круглого сечения на кручение.

Испытания показывают значительный разброс пока­зателей прочности даже для одной и той же породы дре­весины. Это объясняется неоднородностью древесины, связанной с особенностями ее анатомического строения. Так, у хвойных пород, преимущественно применяемых в строительстве, прочность поздней древесины в 3—5 раз выше прочности ранней древесины. Чем толще стенки трахеид и чем больше процент поздней древесины, тем выше плотность древесины и ее прочность. Опытами ус­тановлена прямая пропорциональность между пределом прочности и плотностью древесины.

На прочность дре­весины благодаря ее реологическим свойствам значи­тельно влияют скорость приложения нагрузки или про­должительность ее действия. Если серию одинаковых деревянных образцов загрузить, например на изгиб, раз­личной по значению постоянной нагрузкой, то разруше­ние их произойдет через разные промежутки времени — чем больше нагрузка (напряжение), тем скорее разру­шится образец. При этом может оказаться, что часть об­разцов вообще не разрушится, как бы долго нагрузка ни действовала. Представив результаты таких испытаний графически в координатах «предел прочности — время до разрушения» (рис. 1.9), получим асимптотическую кривую, по которой можно определить, сколько времени пройдет от начала нагружения до разрушения образца, находящегося под тем или иным напряжением. Асимпто­тический характер кривой показывает, что предел проч­ности с увеличением длительности приложения нагрузки хотя и падает, но не безгранично — он стремится к неко­торому постоянному значению

Асимптота на кривой длительного сопротивления де­лит весь диапазон изменения нагрузки на две области — область ниже асимптоты с

Две области кривой, указанные на рис. 1.9, различа­ются также по характеру зависимости деформации от времени при заданном значении действующей нагрузки (напряжения). Так, при напряжении

Как видно из (рис. 1.10), древесина обладает свой­ством последействия (ползучести), т. е. роста деформа­ций в течение некоторого времени после приложения нагрузки. Примером последействия на практике может служить провисание балок, находящихся долгое время под эксплуатационной нагрузкой.

Длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины в отличие от пре­дела прочности, определяемого быстрыми испытаниями на машине стандартных образцов. Переход от предела прочности к длительному сопротивлению производится умножением предела прочности на коэффициент дли­тельности сопротивления, равный отношению предела длительного сопротивления к пределу прочности. По опытным данным, коэффициент длительности сопротив­ления может быть принят 0,5-0,6. Опыты показывают, что при очень быстром приложении нагрузки, например при ударе, предел прочности повышается по сравнению с длительным сопротивлением в среднем в 3 раза. Таким образом, относительная прочность древесины при ее ис­пытании с различной скоростью приложения нагрузки изменяется в пределах 1—3.

Фактически деревянные конструкции находятся под совместным действием постоянных (например, собст­венный вес), временно длительных (например, снеговая) и кратковременных (например, ветровая) нагрузок. Опыты показывают, что в этом случае предел прочности зависит от соотношения этих нагрузок и изменяется от предела длительного сопротивления (при наличии только постоянной нагрузки) до предела прочности, определяе­мого при стандартной скорости загружения от действия основных кратковременных нагрузок. Случай преиму­щественного влияния постоянной нагрузки специально учитывается в расчете (см. табл. III.6).

В СССР первые систематические работы по исследо­ванию влияния продолжительности действия нагрузки на прочность древесины были проведены Ф. П. Белянкиным, результаты их были опубликованы в 1931 и 1934гг.

§ 1.7. Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах (влажностью 12 %) высок — для сосны и ели он в среднем 100 МПа. Модуль упругости 11 —14 ГПа. Наличие сучков и присучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с вы­ходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков 1/4 стороны элемента предел прочности составля­ет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор дре­весины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций.

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получа­ется при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное влияние концентрации напряжений у мест ослаблений. Опыты показывают также, что прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность крупных образцов в  результате большей неоднородности их строения меньше, чем  мелких.

При разрыве поперек волокон вследствие анизотроп­ности строения древесины предел прочности в 12—17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направ­лением волокон. Чем значительнее косослой, тем боль­ше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой — второй по значимости порок, величина которого в растянутых эле­ментах должна строго ограничиваться.

Диаграмма работы сосны на растяжение (рис. 1.11), в которой по оси абсцисс откладывается относительная деформация

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2—2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12 % предел прочности на сжатие в среднем      40 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков, составляющих 1/3 сто­роны сжатого элемента, прочность при сжатии будет 0,6—0,7 прочности элемента тех же размеров, но без суч­ков. Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на продольный изгиб, т. е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря указанным осо­бенностям работа сжатых элементов в конструкциях бо­лее надежна, чем растянутых. Этим объясняется широ­кое применение металлодеревянных конструкций, имею­щих основные растянутые элементы из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые из дерева.

Приведенная диаграмма сжатия (см. рис. 1.11) при  >0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях ф криволинейность ее невелика и она может быть принята прямолинейной до условного преде­ла пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопро­вождается появлением характерной складки (рис. 1.12), образуемой местным изломом волокон.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели при влажности 12 % предел прочности при изгибе в среднем 75 МПа. Модуль упругости примерно такой же, как при сжатии и растяжении. Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и ко­сослоя значительно. При размере сучков в 1/3 стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5—0,45 прочности бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6—0,8.

Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсутствует наблюдаемый в пиломатериалах выход на кромку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при изгибе по обычной формуле              

При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаг­раммой работы на сжатие   (рис. 1.11, кривая б) прини­мает криволинейный характер (рис. 1.13, 6, в). Одновременно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряже­ние сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

Определение предела прочности по формуле

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же момен­те сопротивления у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. Все эти факторы учитываются в расчете введением соответствующих коэффициентов к расчетным сопротивлениям.

§ 1.8. Работа древесины на смятие, скалывание и раскалывание

Различают смятие вдоль волокон, поперек волокон и под углом к ним. Прочность древесины на смятие вдоль волокон, например, в стыках сжатых элементов, мало отличается от прочности на сжатие вдоль волокон, и действующие нормы не делают различия между ними. Смятию поперек волокон древесина сопротивляется слабо. Смятие под углом занимает промежуточное поло­жение. Смятие поперек волокон характеризуется в соот­ветствии с трубчатой формой волокон значительными деформациями сминаемого элемента. После сплющива­ния и разрушения стенок клеток происходит уплотнение древесины, уменьшение деформаций и роста сопротивле­ния сминаемого образца (рис. 1.14).

В отличие от ранее рассмотренных случаев о работе древесины на смятие поперек волокон приходится су­дить главным образом по значению допустимых в эк­сплуатации (с учетом фактора времени) деформаций. За нормируемый предел здесь обычно принимается напряжение при некотором условном пределе пропорцио­нальности (см. рис. 1.14). Этот предел имеет наимень­шее значение при смятии по всей поверхности, среднее значение при смятии на части длины и максимальное при смятии на части длины и ширины (рис. 1.15). В двух последних случаях деформация уменьшается благодаря поддержке сминаемой площадки соседними незагружен­ными участками древесины. При смятии на части длины, как показывают опыты, поддерживающее действие воз­растает до достижения свободными концами сминаемого элемента длины, равной длине площадки смятия, причем сопротивление тем выше, чем уже сминающий «штамп». При смятии под углом

Существующие в настоящее время методы расчета элементов деревянных конструкций, работающих на ска­лывание и раскалывание, имеют существенные недостат­ки:

а) не установлен стандартный метод эксперимен­тальной проверки предельной прочности древесины при сложном напряженном состоянии (различном сочетании касательных и нормальных напряжений);

б) не внедрена, предложенная Б. А. Освенским тео­рия, раскрывающая зависимость прочности древесины от соотношений касательных и нормальных напряжений, увязанная с данными об анатомическом строении дре­весины.

Как уже было сказано, стенки клеток трахеид древе­сины сосны состоят из слоев Р, S1 S2, S3, которые отли­чаются одни от других углом наклона микрофибрилл по отношению к продольной оси трахеид и своей толщи­ной. По исследованиям многих ученых, ориентация мик рофибрилл в первичной оболочке Р близка к попереч­ной. Расположение микрофибрилл в наружном слое вто­ричной оболочки Si изменяется от перпендикулярного по отношению к продольной оси клетки до различных сте­пеней распределения по спирали, а в среднем слое вто­ричной оболочки 52— от спирального до продольного. От угла наклона микрофибрилл в значительной степени зависят физико-механические свойства элементов, сла­гающих древесину.

За основу принимаем, что отношение толщины от­дельного слоя стенки трахеиды, отличающегося ориен­тацией микрофибрилл, к полной толщине одной стенки сохраняется во всех трахеидах. Таким образом, принятые нами соотношения сохраняются и для любой суммы сте­нок трахеид.

Заменяя сумму слоев одинаковых по ориентации мик­рофибрилл эквивалентным стержнем, в итоге получим стержневую систему. При этом распределяем все ориён тации микрофибрилл на четыре основные направления: перпендикулярное, два перекрестных спиральных и про­дольное (рис. 1.17). Средний угол спиральных слоев вто­ричной оболочки примем на основании данных (полу­ченных В. А. Баженовым) для сосны

Обозначим толщины отдельных слоев стен­ки в безразмерных единицах как отношение части к це­лому:

Стержневая система принята для участка длиной, равной единице в направлении вдоль волокон древесины (рис. 1.18).

Площади поперечного сечения микрофибрилл ука­занных слоев:

Fh=

Длина микрофибрилл отдельных слоев на рассмат­риваемом участке а=1 (рис. 1.18) будет: для слоев с поперечной ориентацией р = a*tgy; со спиральной ориен­тацией d=a/cosy, а с продольной ориентацией а=1.

Рассмотрим данную схему как стержневую конструк­цию, которая для случая когда сила  Na-90 направлена поперек волокон (благодаря симметрии) и является ста­тически неопределимой системой с одним лишним неиз­вестным.

Исходя из очертания деформированной системы и по­лагая, что деформации удлинения слоев с поперечной ориентацией весьма малы, а модули упругости у всех слоев одинаковы, получим значение усилия, воспринима­емого суммарным слоем с поперечной ориентацией

Y = N90/1+2 cos3 (90 -

Зная отношение Fcп/Fh и заменяя в этом выражении силу N90, которую считаем приложенной к поверхности, равной 1 см2, получим значение напряжения в слоях с поперечной ориентацией. Приняв N90 равным значению предельного сопротивления разрыву поперек волокон, получаемому экспериментально, найдем предельное со­противление суммарного слоя с поперечной ориентацией микрофибрилл, так как слои со спиральной ориентацией в этом случае недонапряжены. Полученное таким обра­зом напряжение является приведенным к площади древе­сины, а не действительным напряжением в микрофиб­риллах, которое может быть найдено при условии, если будет известна действительная площадь поперечного се­чения этих слоев микрофибрилл, приходящихся на 1 см2 сплошного сечения древесины.

Точно так же можно найти и приведенное напряже­ние в слоях со спиральной ориентацией микрофибрилл, которое не является предельным и разрушающим при растяжении поперек волокон. Их разрушение может произойти последовательно после разрушения слоев с попе­речной ориентацией.

Получив таким образом приведенную предельную прочность микрофибрилл, создаем возможность опреде­лить прочность для силы Na, приложенной под любым углом а к волокнам древесины.

При приложении силы No, под углом а к волокнам (рис. 1.19) по плоскости разрушения возникает сочета­ние касательных и нормальных напряжений (сложное напряжение). В этом случае симметрия стержневой системы нарушается и появляется еще одно дополнительное неизвестное условие. Составляем уравнения равновесия:

Zп cos(а + = Nа ,

(Zл + Zп) cos

Решая совместно эти уравнения, после ряда преобразований получим:

                               Zл + Y = Nа (sin а + tg

Рассматривая очертания деформированной системы, указанной на рис.1.19, и пренебрегая изменением углов от перемещения узла, составим два уравнения:

E =

Решая совместно эти уравнения, после  преобразований получим

Учитывая что

                                                                         (1.3)

Решая уравнения (1.2)  и  (1.3) совместно, будем иметь

,

где на основании формулы (1.1)

Y=N90/1 + 2 cos360º 0,5 = N90/1,125 =

таким образом получим предельное сопротивление разрыву под углом а

          (1.4)

Уравнение (1.4) применимо для углов  .Для  

                 (1.5)

Таблица  1.1. Экспериментальные и теоретические данные предельного сопротивления древесины при растяжении под углом к волокнам

Предельное напряжение при чистом сдвиге вдоль во­локон определяется по схеме (рис. 1.20):

По вышеприведенным формулам нами определены теоретические значения прочности сосны на растяжение под различными углами к волокнам. Результаты выпол­ненных расчетов для разных углов а по предложенной схеме ориентации микрофибрилл (рис. 1.17) приведены в табл. 1.1.

Анализ данных, полученных теоретически, раскрыва­ет причины относительно низкого сопротивления древе­сины растяжению поперек волокон. Это объясняется тем, что при данном виде напряжения происходит последова­тельное разрушение отдельных слоев стенки. Наиболь­шее напряжение возникает в слоях с поперечной ориен­тацией, в то время как слои со спиральной ориентацией еще слабо напряжены. Это определяет минимальное значение предельного сопротивления древесины при а=90°. При a=

Разработанная теория дает возможность, ограничив­шись одним видом испытания на растяжение поперек волокон, также определить предельное сопротивление древесины при растяжении вдоль волокон, что подтвер­ждена экспериментальными данными, § 1.9. Сопротивление древесины скалыванию при сочетании касательных напряжений вдоль волокон с нормальными напряжениями сжатия поперек волокон

Некоторые исследователи иногда неправильно пред­ставляют роль и характер влияния нормальных напря­жений поперечного сжатия и растяжения на предельное сопротивление скалыванию, при этом преувеличивают как положительную роль сжатия, так и отрицательную роль растяжения поперек волокон.

В зоне воздействия внешнего поперечного обжима в сопряжениях, например в лобовой врубке или в сборном стыке с обжимными клиньями 1, где имеет место односто­роннее расположение площадки скалывания в растяну­тых элементах, одновременно с уменьшением нормаль­ных растягивающих напряжений поперек волокон увели­чивается концентрация напряжений сдвига. Только при относительно более равномерном поперечном обжатии плоскости скалывания можно несколько повысить сопро­тивление скалыванию.

Для обоснования этого положения необходимо об­ратиться к современным данным о микро- и субмикро­структуре стенок клеток трахеид древесины. За основу примем изложенное ранее положение о том, что отноше­ние толщины отдельного слоя стенки трахеиды, отлича­ющегося своей ориентацией микрофибрилл, к полной толщине стенки сохраняется во всех трахеидах ранней или поздней древесины. Следовательно, принятые ранее соотношения сохраняются и для любой суммы стенок трахеид. За основу, таким образом, берем ранее приня­тую схему (см. рис. 1.17) направления микрофибрилл относительно оси х. Средний угол спиральных слоев вто­ричной оболочки принимаем, как и в предыдущем иссле­довании, для клеток ранней древесины сосны  уран=30° и для клеток поздней древесины

Влияние влажности. При повышении влажности дре­весины от нулевой до точки насыщения волокон пример­но до 30 % ее прочность, в том числе и длительная, уменьшается, деформативность увеличивается и модуль упругости снижается. В наименьшей степени влажность влияет на ударную прочность древесины и на прочность при растяжении вдоль волокон. В других случаях влия­ние влажности сравнительно велико и при ее изменении на 1 % прочность меняется на 3—5 %. Повышение влаж­ности древесины свыше точки насыщения волокон не приводит к дальнейшему снижению ее прочности.

Для сравнения прочности древесины надо показате­ли прочности приводить к одной влажности. В настоя­щее время комиссия по стандартизации СЭВ приняла для показателей физико-механических свойств древеси­ны стандартную влажность 12 %. Приведение к стан­дартной влажности производят по формуле

В12= Bw* [1 +а (w-12)],

где B12 — предел прочности при влажности 12%; W — влажность в момент испытания; Bw — предел прочности при влажности в момент испытания; а — поправочный коэффициент, принимаемый по табл. 1.2.

Формула приведения действительна в пределах изме­нения влажности 8—23 %.

Влажность определяют взвешиванием до и после вы­сушивания до постоянного веса в сушильном шкафу об­разцов небольших размеров. В производстве влажность сортаментов можно определять, не вырезая образцов, с помощью электровлагомера, действие которого основа­но на изменении электропроводности древесины в зави­симости от ее влажности.

Таблица  1.2. Значение коэффициента а

Влияние температуры. Опыты показывают, что пре­дел прочности при любой влажности зависит от темпера­туры, с ее повышением прочность уменьшается, с пони­жением — увеличивается. При большой влажности и отрицательных температурах влага в древесине превра­щается в лед, получается так называемая замороженная древесина, прочность которой на сжатие, поперечный изгиб, скалывание и раскалывание возрастает. В то же время замороженная древесина становится более хруп­кой, и сопротивление ее ударному изгибу понижается.

Модуль упругости при повышении температуры пони­жается, что увеличивает деформативность деревянных конструкций. Уменьшение прочности при повышенных температурах, осложненное усушкой в присучковом ко­сослое, является основной причиной наблюдавшихся иногда разрывов деревянных элементов конструкций в жаркие летние месяцы, когда напряжения в элементах значительно ниже, чем зимой.

Из изложенного следует, что при экспериментальном определении прочности древесины следует учитывать не только ее влажность, но и температуру.

Предел прочно­сти при данной температуре к прочности при стандарт­ной температуре 20 °С можно пересчитывать по формуле:

где

Формула приведения действительна в пределах поло­жительных температур 10 — 50 °С. Пересчет к температу­ре 20 °С должен производиться после пересчета к влаж­ности 12 %.

Таблица 1.3. Поправочные числа

§ 1.11. Требования к качеству и отбор лесоматериалов для элементов несущих конструкций

При наличии значительных пороков, в особенности сучков, прочность досок, брусьев или бревен бывает на­столько низкой, что они не могут быть применены для элементов несущих конструкций, поэтому размеры поро­ков необходимо ограничивать.

Лесоматериалы разделяются на сорта в зависимости от величины и вида пороков. К древесине для деревян­ных конструкций кроме требований ГОСТ 8486—66* на пиломатериалы хвойных пород и ГОСТ 9463—72* на круглые лесоматериалы предъявляются следующие до­полнительные требования, указанные в СНиП П-25-80:

а) ширина годичных слоев в древесине должна быть не более 5 мм, а содержание в них поздней древесины не менее 20 %;

б) в заготовках из пиломатериалов 1-го и 2-го сортов для крайней растянутой зоны (на 0,15 высоты сечения) клееных изгибаемых элементов и в досках 1-3-го сортов толщиной 60 мм и менее, работающих на ребро при изгибе или на растяжение, не допускается   сердцевина.

Ограничение пороков связано с видом работы элемента в конструкции.

§ 1.12. Строительная фанера

Фанера представляет собой слоеный листовой мате­риал, состоящий, как правило, из нечетного числа слоев, прямоли­нейных отрезков ствола дерева.

Фанерное сырье поступает на заводы в виде кряжей или чураков. Отрезок кряжа, длина которого соответст­вует установленному размеру форматного листа лущено­го шпона по длине волокон с припуском на оторцовку, называют чураком. В кряже может быть два, три и более чураков. Каждый чурак должен иметь припуск по длине 2—3 см, а кряж — по 3 см на каждый чу­рак.

Смежные шпоны в пакете имеют взаимно перпенди­кулярное расположение волокон и склеиваются между собой горячим или холодным прессованием. Фанеру тол­щиной более 15 мм называют фанерными плитами. Вследствие перекрестной структуры фанера обладает меньшей анизотропией свойств, чем природная древеси­на, а явления усушки и разбухания соответствуют тако­вым у древесины в направлении вдоль волокон.

Фанере присущи высокие прочностные свойства, ма­лая масса (она в 4 раза легче алюминия), низкая тепло-и звукопроводимость, большая стойкость к воздействию химически агрессивных сред и повышенная водостой­кость при изготовлении на водостойких клеях. Фанера имеет низкий коэффициент линейного температурного расширения (5-10~6 мм/м°С) по сравнению с коэффици­ентом линейного расширения стали (11,3-10~6) или алю­миния (25-Ю-6).

Совокупность положительных свойств фанеры позво­ляет использовать ее в строительстве. К строительной фанере относится клееная фанера (ГОСТ 3916—69 «Фа­нера клееная») марок ФСФ (Ф — фанера, СФ — на смоляном фенолформальдегидном клее), ФК (К — на карбамидном клее) сортов не ниже В/ВВ и бакелизиро-ванная фанера марок ФБС (Б — бакелизированная, С — пропитка наружных слоев и намазывание серединок спирторастворимыми смолами) и ФБСВ (С — пропитка наружных слоев спирторастворимыми смолами, В — на­мазывание серединок водорастворимыми смолами). К строительной фанере следует отнести также фанерные плиты марки П ПФ-А (П — плита, Ф — фанерная, А — перекрестная структура, изготовляемые аналогично, кле­еной фанере). Сорта клееной фанеры и плит определя­ются в основном качеством древесины и обработкой шпона наружных слоев. Данные для расчета конструк ций из строительной фанеры содержатся в СНиП 11-25-80.

Влагосодержание фанеры колеблется в пределах 5— 10 %, а у фанерных плит не превышает 12 %. Фанера марки ФСФ обладает повышенной водостойкостью и ре­комендуется для изготовления клеефанерных конструкций. Фанера марки ФК является фанерой средней водо­стойкости и рекомендуется для конструкций группы A1, А2 и Б1 (внутренних помещений)

Необходимо ориентироваться на использование в строительстве клееной фанеры, изготовленной из древе­сины хвойных пород, главным образом лиственницы, которая дешевле фанеры, изготовленной из березовой древесины, и экономически эффективной клееной комби­нированной фанеры с наружными тонкими слоями бере­зового шпона и с внутренними слоями толстого шпона хвойных пород.

Бакелизированная фанера выпускается толщиной от 5±0,5 мм до 18-0.9+.2 у мм длиной 1500—7700 мм и шири­ной 1200—1500 мм; ее влагосодержание составляет 6— 10 %. Бакелизированная фанера характеризуется высо­кой прочностью и водостойкостью. Ее используют для строительства специальных конструкций и для изготов­ления многооборачиваемой опалубки.

Средняя толщина листов фанеры имеет допустимые отклонения от номинальной толщины, существует также разнотолщинность в пределах листа. В некоторых слу­чаях это отрицательно сказывается на прочности клеево­го соединения конструкций, поэтому листы следует более тщательно сортировать по толщине или калибровать с помощью фрез приклеиваемые участки. Бакелизирован-ную фанеру или фанеру повышенной водостойкости с во­достойкими защитными покрытиями на слоях применяют в качестве сборно-разборной опалубки для изготовления железобетонных конструкций с большими плоскими по­верхностями. Водостойкие покрытия защищают нанесе­нием на поверхность фанеры слоя минерального масла (одноразовое использование), полиуретанового лака или фенольной смолы, а также напрессованием пленок из крафт-бумаги, пропитанной фенолформальдегидными смолами, или стеклоткани, пропитанной водостойкими смоляными клеями. Состыкованные листы опалубочной фанеры могут иметь максимально возможную по услови­ям транспортирования длину (до 20 м) и ширину.

В настоящее время выпускается опалубочная фане­ра из древесины лиственных и хвойных пород с защит­ными покрытиями из пропитанных смолами бумажных пленок и разработаны конструкции многооборачиваемой щитовой опалубки, состоящей из дощатого каркаса и обшивки из опалубочной фанеры (ЦНИИОМТП). Строительная фанера может быть в необходимом случае использована также для изготовления профильных фа­нерных элементов.

ГЛАВА