Трещины

Механические свойства древесины

Прочность древесины определяют путем испытания малых чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.

Прочность древесины как анизотропного волокнистого материала в большой степени зависит от того, под каким углом к волокнам направлена сила. Предел прочности при растяжении вдоль волокон в 20…30 раз, а при сжатии в 5… 10 раз больше, чем поперек волокон.

Стандартные методы определения механических свойств на малых «чистых» образцах позволяют сравнивать между собой прочность древесины одной породы или разных пород и оценивать общее качество древесины из данного лесонасаждения. Вместе с тем фактическая прочность строительной древесины в элементах стандартных размеров (досок, брусьев, бревен), в которых имеются те или другие дефекты строения и другие особенности, может быть значительно ниже. Поэтому при нормировании допускаемых напряжений (расчетных сопротивлений) устанавливаются относительно большие коэффициенты запаса прочности.

По этой причине в отличие от других строительных материалов сорта лесоматериалов устанавливают не по прочности образцов, а на основании тщательного осмотра материала и оценки имеющихся в нем пороков.

Пороки древесины

Изменения внешнего вида, нарушения правильности строения, целостности тканей и другие недостатки, снижающие качество древесины и ограничивающие возможности её практического использования, называются пороками древесины.

Все пороки разделены на девять групп:

1. сучки;

2. трещины;

3. пороки формы ствола;

4. пороки строения древесины;

5. химические окраски;

6. грибные поражения;

7. биологические повреждения;

8. инородные включения, механические повреждения и пороки обработки;

9. покоробленности.

Сучки

Наиболее распространённый порок — сучки. Они представляют собой части (основания) ветвей, заключённые в древесине сортимента. По степени зарастания сучки различают только в круглых лесоматериалах, выделяя два вида: открытые, т.е. выходящие на боковую поверхность сортимента, и заросшие, обнаруживаемые по вздутиям и другим следам зарастания на боковой поверхности.

По форме разреза сучки (в пилопродукции и шпоне) делятся на круглые, овальные и продолговатые. Круглый сучок образуется в том случае, если основание ветви разрезают под большим углом к продольной оси так, что отношение большего диаметра сучка к меньшему не превышает 2.

Круглый сучок может быть обнаружен на тангенциальной поверхности сортимента. Овальный сучок образуется, когда основание ветви разрезают под углом к её продольной оси так, что отношение большего диаметра сучка к меньшему равно 2 — 4. Продолговатый сучок образуется при разрезании основания ветви вдоль или под малым утлом к её оси, если отношение большего диаметра к меньшему превышает4. Продолговатый сучок в виде суживающейся к сердцевине полосы или сильно вытянутого овала может быть обнаружен на радиальном или близком к нему разрезе.

Рис.1.Разновидности сучков: а — круглый; б — овальный; в — продолговатый; г — пластевой; д — кромочный; е — ребровый; ж — сшивной; з — групповые; и — разветвленные

По положению в пиленом сортименте различают пластевые, кромочные,ребровые, торцовые и сшивные сучки. Пластевые сучки выходят на широкую сторону (пласть), кромочные — на узкую сторону (кромку), ребровые — одновременно на смежные пласть и кромку, торцовые — на короткую сторону (торец) сортимента. Если сучок пронизывает всю пласть или кромку и выходит на два ребра, его называют сшивным.

Кроме того, в пилопродукции выделяют сучки: односторонние, выходящие на одну или две ёсмежные стороны сортимента, и сквозные, выходящие на две противоположные стороны сортимента.

По взаимному расположению в пиленом сортименте различают разбросанные, групповые и разветвлённые сучки.

Разбросанными называются любые одиночные сучки, отстоящие друг от друга по длине сортимента на большее расстояние, чем его ширина. У широких сортиментов (шириной более 150 мм) расстояние между сучками должно быть не менее 150 мм.

Групповыми называются два или более круглых, овальных или ребровых сучка, расположенных на отрезке длины сортимента, равном его ширине. У широких сортиментов этот отрезок должен быть равен 150 мм. При мутовчатом расположении ветвей, особенно характерном для сосны и лиственницы, образуются разветвлённые (старое название — лапчатые) сучки. Они обнаруживаются на радиальных или близких к ним разрезах и включают два продолговатых сучка одной мутовки или один продолговатый в сочетании с овальным или ребровым сучком одной мутовки (между ними может быть и третий — круглый или овальный сучок).

По степени срастания с окружающей древесиной в пилопродукции и шпоне различают сросшиеся, частично сросшиеся и несросшиеся сучки, у которых годичные слои не срослись с окружающей древесиной на протяжении соответственно менее 1/4; более 1/4, но менее 3/4; более 3/4 периметра разреза сучка. Среди несросшихся сучков выделяют выпадающие.

По состоянию древесины сучки во всех видах лесоматериалов делятся на здоровые, загнившие, гнилые и табачные. Здоровыми называются сучки, у которых древесина не имеет признаков гнили. Среди этой разновидности сучков в пилопродукции и шпоне выделяют сучки: светлые, окрашенные слегка темнее окружающей древесины; тёмные, древесина которых пропитана смолой, дубильными и ядровыми веществами и поэтому значительно темнее окружающей древесины; здоровые с трещинами. Загнившими и гнилыми называются сучки, у которых зона гнили занимает соответственно менее или более 1/3 площади разреза. Табачными называют сучки, древесина которых полностью или частично сгнила и превратилась в рыхлую массу ржаво-бурого (табачного) или белёсого цвета, легко растирающуюся в порошок.

Характеристика сортиментов по сучковатости включает указание разновидностей, размера и количества сучков. В круглых лесоматериалах при установлении разновидностей открытых сучков по состоянию древесины иногда трудно отличить табачные сучки от других поражённых гнилью сучков. В этом случае применяют зондирование щупом. Если зона разрушения распространяется на глубину не более 3 см, то такие сучки в зависимости от площади поражения относят к загнившим или гнилым, если же зона разрушения распространяется на большую глубину (часто до сердцевины), то это табачные сучки.

Открытые сучки измеряют по их наименьшему диаметру, при этом присучковый наплыв в размер сучка не включают. Заросшие сучки оценивают по высоте прикрывающих их вздутий над боковой поверхностью сортиментов. У лиственных лесоматериалов диаметр заросшего сучка можно определить по размеру раневого пятна или усам бровки. Хорошо заметная на гладкой коре некоторых пород (берёза, бук, граб, осина) бровка в виде двух направленных под углом тёмных полосок — усов — возникает от давления разрастающейся ветви на древесину ствола. После отмирания и опадения ветви на месте заросшего сучка возникает раневое пятно, чаще всего правильной эллипсовидной формы.

Размер наиболее толстой части заросшего сучка в сортиментах из берёзы, бука, липы, ольхи и ясеня равен 0,9, а из осины — 0,6 максимального диаметра раневого пятна. В некоторых круглых сортиментах, например в фанерных кряжах, важно знать глубину залегания заросших сучков. Это позволяет установить величину бессучковой зоны, из которой может быть получен шпон высокого качества. Глубина залегания сучков в сортиментах из указанных пород может быть определена по соотношению между высотой и шириной раневого пятна и диаметру сортимента в месте зарастания сучка.

С уменьшением указанного соотношения при данном диаметре сортимента глубина залегания вершины заросшего сучка увеличивается. При одинаковом соотношении размеров раневого пятна залегание сучка тем глубже, чем больше диаметр сортимента.

В сортиментах из берёзы глубину залегания сучка можно определить также по величине угла между усами бровки. Чем больше угол между усами, тем глубже расположен заросший сучок (при постоянном диаметре сортимента). При одной и той же величине угла между усами глубина залегания больше у сортиментов большего диаметра. По длине уса можно ориентировочно судить о размере заросшего сучка. Длина уса, измеренная в сантиметрах, примерно соответствует размеру сучка в миллиметрах.

В пилопродукции и строганом шпоне размеры сучков определяют одним из двух способов:

· по расстоянию между двумя касательными к контуру сучка, проведёнными параллельно продольной оси сортимента;

· по наименьшему диаметру сечения сучка.

Круглые, овальные и продолговатые (или разветвлённые), не выходящие на ребро сучки измеряют, как показано на рис. 5, первым (размеры а1 а2 и т.д.) или вторым (размеры b1 и b2 и т.д.) способом. Размер разветвлённых сучков допускается определять как сумму размеров составляющих сучков. Таким же образом определяют и размеры групповых сучков. В лущёном шпоне все сучки измеряют по наибольшему диаметру их сечения. Размеры сучков выражают в миллиметрах или в долях размера сортимента и подсчитывают их количество в круглых лесоматериалах и пилопродукции на 1 м или на всю длину сортимента, в шпоне — на 1 м или на всю площадь листа.

Количество, размеры и расположение сучков зависят от породы дерева, условий его роста и зоны ствола. Стволы теневыносливой породы — ели имеют больше сучков, чем стволы сосны; деревья, выросшие в сомкнутых древостоях, очищаются от сучков раньше и выше, чем дерево, выросшее на свободе; комлевая часть ствола имеет меньшую сучковатость, чем вершинная. Размеры одних и тех же сучков и состояние их древесины изменяются по радиусу ствола. По мере продвижения от коры вглубь ствола к сердцевине размеры сучков уменьшаются, несросшиеся сучки переходят в сросшиеся, уменьшается количество загнивших и гнилых сучков.

При использовании древесины сучки в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние — часто ухудшают внешний вид древесины, нарушают её однородность и вызывают искривление волокон и годичных слоев, что приводит к снижению показателей многих механических свойств древесины. Вследствие большей твёрдости по сравнению с окружающей древесиной здоровые и особенно тёмные (роговые) сучки затрудняют обработку древесины режущими инструментами. Табачные сучки в круглых сортиментах сопровождаются скрытой ядровой гнилью.

Степень влияния сучка на механические свойства зависит от его относительных размеров, разновидности и характера напряжённого состояния нагруженной детали изделия или конструкции. Наименьшее отрицательное влияние оказывают здоровые, круглые, вполне сросшиеся сучки, а наибольшее — сшивные и групповые. Наиболее сильно снижается прочность древесины при растяжении вдоль волокон, меньше всего — при сжатии вдоль волокон. При изгибе степень влияния существенно зависит от положения сучка по длине и высоте детали. Наибольшее отрицательное влияние оказывают сучки, расположенные в растянутой зоне опасного сечения изгибаемой детали, особенно если сучок выходит на кромку.

По данным для заготовок из древесины сосны наблюдается близкая к пропорциональной зависимость между относительным размером сучка (в долях ширины или толщины заготовки) и прочностью при статическом изгибе и сжатии вдоль волокон (в процентах от прочности чистой древесины). Следовательно, при размере сучка 0,3 и 0,5 прочность снизится соответственно на 30 и 50%. Аналогичная зависимость была обнаружена при изгибе древесины берёзы и бука. У древесины дуба влияние размера сучков на прочность выражено слабее.

Прочность увеличивается из-за наличия сучков при сжатии и растяжении древесины в радиальном направлении поперёк волокон, когда ось сучка совпадает с направлением усилия. Сучки повышают прочность и при скалывании вдоль волокон в тангенциальном направлении, когда они расположены перпендикулярно плоскости скалывания.

В отверстия, остающиеся после выпавших сучков, при необходимости вставляют деревянные пробки (на клею или без него). Иногда специально высверливают сучки и заделывают отверстия пробками. Прочность древесины при этом не повышается, так как искривления волокон вокруг пробок по-прежнему остаются.

С увеличением размера сучков модули упругости при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе снижаются, а при растяжении и сжатии поперёк волокон в радиальном и тангенциальном направлениях сильно возрастают в связи с большей жёсткостью древесины самих сучков.

Было исследовано влияние сучков на механические свойства круглых лесоматериалов из древесины сосны. И снижение предела прочности при сжатии вдоль волокон образцов диаметром от 8,5 до 12 см с увеличением отношения размера наиболее крупного сучка в мутовке к диаметру образца от 0,18 до 0,61 составило от 4 до 18 % по сравнению с чистой древесиной. Примерно такое же снижение прочности было установлено при испытании образцов на статический изгиб, если крупный сучок находился в растянутой зоне. У образцов диаметром 16 см и более не обнаружено существенного влияния сучков на прочность при сжатии вдоль волокон. Таким образом, в пиломатериалах сучки оказывают большее влияние на прочность, чем в круглых лесоматериалах. В круглых лесоматериалах, так же как и в пиломатериалах, сучки меньше влияют на модуль упругости, чем на прочность.

Трещины

Трещины — это продольные разрывы древесины, которые образуются под действием внутренних напряжений, достигающих предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон.

Трещины в круглых лесоматериалах и пилопродукции делятся по типу на метиковые, отлупные и морозные, появляющиеся в растущем дереве, и трещины усушки, возникающие в срубленной древесине.

Рис.2. Типы трещин в древесине: I — пластевые; II — кромочные; III — торцевые; а — метиковые; б — морозные; в — трещины-усушки; г — отлупные

Рис. 3 Трещины в пиломатериалах: а — метиковые: 1 — простая в круглом лесоматериале; 2 — в пиломатериале с выходом на пласть, кромку и торец; б – отлупные: 1 — в круглых лесоматериалах; 2 — в пиломатериалах (пластевая, кромочная, торцевая); в — трещины усушки: 1 — в круглых лесоматериалах; 2 — в пиломатериалах (пластевая, кромочная, торцевая); г — морозобой: 1 — в круглых лесоматериалах; 2 — в пиломатериалах

Метиковые трещины представляют собой внутренние радиальные трещины в стволах деревьев. Встречаются они у всех пород, особенно часто у сосны, лиственницы, бука преимущественно в перестойных древостоях. Протяженность трещины по стволу достигает 10 м и более, иногда трещина от комля доходит до живой кроны.

В круглых лесоматериалах метиковые трещины заметны только на торцах (лучше на комлевых), так как, начинаясь от сердцевины, они до коры не доходят и на боковой поверхности не видны. В пиломатериалах эти трещины обнаруживаются как на торцах, так и на боковых поверхностях.

Простой называется метиковая трещина (или две трещины, направленные по одному диаметру торца), расположенная в одной плоскости по длине сортимента.

Сложными называются две или несколько трещин, направленных на торце под углом друг к другу, а также одна или две трещины, направленные по одному диаметру, но из-за спирального расположения волокон находящиеся не в одной плоскости.

Метиковые трещины возникают в процессе роста дерева. Существует мнение, что трещины образуются и при валке дерева от ударов о землю. При высыхании древесины размеры трещины увеличиваются. Метиковые трещины представляют собой не сплошные, а прерывистые разрывы по длине сортимента.

Отлупные трещины — это отслоения (по годичному слою) древесины внутри ядра или спелой древесины стволов растущих деревьев; встречаются у всех пород. Отлуп можно обнаружить в круглых лесоматериалах только на торцах в виде дугообразных (не заполненных смолой) или кольцевых трещин, в пиломатериалах — на торцах в виде трещин-луночек, а на боковых поверхностях в виде продольных трещин или желобчатых углублений. До сих пор причина появления отлупных трещин точно не установлена. Отлупные трещины образуются в местах резкого перехода мелкослойной древесины в крупнослойную. Возникновение отлупа может быть связано с образованием внутренней гнили, а у сосны и у лиственных пород — водослоя.

Морозные трещины представляют собой наружные продольные разрывы древесины стволов растущих деревьев лиственных (реже хвойных) пород; распространяются вглубь ствола по радиальным направлениям. Они образуются при резком снижении температуры зимой. На них похожи старые трещины, возникшие от удара молнии. На поверхности ствола этот порок имеет вид длинной открытой трещины, часто с валиками разросшейся древесины и коры по краям. Морозные трещины располагаются в комлевой части ствола. В круглых лесоматериалах морозные трещины хорошо заметны на боковой поверхности и торцах; снаружи они имеют наибольшую ширину, уходят вглубь древесины (часто до сердцевины), постепенно суживаясь. В пиломатериалах они обнаруживаются в виде длинных радиальных трещин с уширенными около них годичными слоями.

Трещины усушки возникают в лесоматериалах под действием внутренних сушильных напряжений. Трещины распространяются от боковой поверхности вглубь сортимента по радиальным направлениям. От метиковых и морозных трещин они отличаются меньшим протяжением по длине сортимента (обычно не более 1 м) и меньшей глубиной. Эти трещины могут появляться на торцовых поверхностях круглых сортиментов и пиломатериалов из-за неравномерности просыхания их по длине. В конечной стадии сушки пиломатериалов крупного сечения (чаще лиственных пород) иногда появляются внутренние трещины (свищи), которые обнаруживаются при раскрое сортиментов.

По расположению в сортименте различают торцовые трещины, находящиеся на торцах и не выходящие на боковые стороны сортимента, и боковые трещины, которые расположены на боковых сторонах сортимента и могут выходить на торцы. Среди боковых трещин в пиленых сортиментах различают пластевые и кромочные.

Если трещины распространяются на глубину менее 1/10 толщины сортимента (но не более 7 см для круглых лесоматериалов и 5 мм для пилопродукции), они называются неглубокими, если на большую глубину (но не имеют второго выхода на боковую поверхность) — глубокими.

Сквозными называются трещины, выходящие на две боковые стороны или на два торца сортимента, а также отлупные трещины, выходящие в двух местах на одну сторону сортимента (могут образовать желобок). В шпоне трещины шириной менее 0,2 мм называются сомкнутыми, а более широкие — разошедшимися.

Боковые трещины измеряют по глубине сортимента в миллиметрах, а по длине — в сантиметрах или соответственно в долях толщины и длины сортимента. Для измерения глубины пользуются тонким стальным щупом. Торцовые метиковые, отлупные и морозные трещины в круглых лесоматериалах измеряют по наименьшей толщине сердцевинной доски или диаметру окружности, в которую они могут быть вписаны, или по наименьшей ширине неповрежденной периферической зоны торца. Торцовые трещины усушки в круглых лесоматериалах измеряют по глубине. В пилопродукции торцовые трещины измеряют по протяжённости на торце в миллиметрах или в долях той стороны сортимента, на которой их проекция больше. Отлупные торцовые трещины в пилопродукции измеряют по хорде, а если трещина занимает более половины окружности годичного слоя — по диаметру. В шпоне трещины измеряют по длине, а разошедшиеся трещины — и по ширине; учитывают количество трещин на 1 м ширины листа.

Наименьшее снижение прочности из-за трещин наблюдается при сжатии вдоль или поперёк волокон, наибольшее — при растяжении поперёк волокон, если трещина расположена в плоскости, перпендикулярной направлению действия усилия, а также при скалывании, если трещина совпадает с плоскостью скалывания.

При изгибе наибольшее отрицательное влияние оказывает трещина, перпендикулярная направлению изгибающего усилия и расположенная в нейтральной плоскости. Здесь нормальные напряжения отсутствуют, но касательные напряжения максимальные и снижение прочности пропорционально уменьшению площади, работающей на скалывание. По данным, трещины не оказывают влияния на модуль упругости при растяжении и сжатии вдоль волокон, но сильно снижают модуль упругости при статическом изгибе в том случае, когда плоскость трещины перпендикулярна направлению изгибающего усилия.

Трещины — один из главных факторов снижения прочности сортиментов, применяемых в строительстве. Ограничения в допуске трещин объясняются также и тем, что они способствуют проникновению влаги и спор грибов вглубь сортимента.

Поиск по сайту: