ГЛАВА I. Состояние проблемы

Глава I. Состояние проблемы
Для решения поставленной задачи необходимо проанализировать современное состояние дел в той области древесиноведения, которая касается методов определения показателей древесины и пиломатериалов, баз
данных, влияния важнейших факторов на показатели древесины, взаимосвязи показателей и их нормирования для конструкционных досок.
Среди большого количества показателей физико-механических свойств
древесины и пиломатериалов для дальнейшего рассмотрения выделили
наиболее употребимые, имеющие значение для использования древесины в
строительстве. К таковым относятся показатели, характеризующие древесину в направлении ее наибольшей прочности - вдоль волокон. Их можно
разбить на две группы
1. Показатели, определяемые без разрушения материала:
 плотность древесины
 модуль упругости при изгибе
 твердость.
2. Показатели, определение которых требует разрушения образцов. Сюда относятся:
 предел прочности при растяжении вдоль волокон
 предел прочности при статическом поперечном изгибе
 предел прочности при сжатии вдоль волокон
 сопротивление скалыванию вдоль волокон
Особенность данной монографии в том, что в ней впервые рассматриваются вместе и сравниваются методы определения и показатели не только
малых чистых образцов древесины, но и пиломатериалов, не только отечественных пород древесины, но и произрастающих практически во всех регионах нашей планеты. Такое сравнение позволяет максимально широко
рассмотреть проблему взаимосвязи показателей и выявить возможности
использования имеющихся баз данных по чистой древесине для нормирования показателей пиломатериалов.
7
1.1. Методы определения показателей свойств древесины
1.1.1 Плотность древесины
Согласно ГОСТ 16483.1-84 [42] различают несколько показателей плотности древесины: а) плотность при данной влажности - w; б) базисная
плотность - баз; в) парциальная (относительная) плотность - отн; г) плотность абсолютно сухой древесины - 0
w 
mw
Vw
 баз 
m0
V 30
 отн 
m0
Vw
0 
m0
V0
где m0 и mw - масса образцов при влажности 0% (абсолютно сухой древесины) и текущей влажности W; V0 и V30 -объём образцов при влажности
0% и влажности 30% и более.
Наиболее просто определяется плотность при влажности в момент испытаний (w). Для этого используют образцы с основанием 20 х 20 мм и
высотой вдоль волокон 30 мм. При наличии ртутного объёмометра можно
использовать образцы произвольной формы (объёмом до 15 см3). Поскольку для расчета плотности необходимо знать ее влажность, то эти же образцы используют для определения влажности древесины.
Базисная плотность не зависит от влажности древесины и широко применяется в технологических расчетах. Связь между этими двумя показателями определяется формулой
 баз   w
100(100  K  W )
(100  W )(100  30 K  )
где K - коэффициент объёмного разбухания, равный примерно 0,6 для
белой акации, березы, бука, граба, лиственницы и 0, 5 для остальных пород. Более точные значения можно найти в справочнике [9].
1.1.2. Твердость древесины
Твердость относят к технологической характеристике древесины. Данное испытание нормировано только для чистой древесины. Различают статическую твердость, которая оценивается по усилию вдавливания шарика
диаметром 11,28 мм на глубину его радиуса по ГОСТ 16483.17-81 [48] и
ударную твердость, которая рассчитывается как отношение потенциальной энергии стального шарика диаметром 25 мм, падающего с высоты 500
8
мм, к площади проекции отпечатка, который он оставляет на образце по
ГОСТ 16483.16-81 [47].
Схема испытания при определении статической твердости показана на
рис.1.1. Диаметр шарика выбран таким с тем, что площадь отпечатка при
вдавливании шарика на глубину радиуса составляет ровно 100 мм2 (1
см2). Статическая твердость определяется по формуле, МПа:
Н
P
r 2 ,
а ударная твердость в Дж/см2 :
Н уд 
4mgh
;
d 1 d 2
где P - усилие, Н, зафиксированное при внедрении шарика на глубину его
радиуса r, мм; m - масса шарика, кг; h - высота падения, м; d1 и d2 - размеры отпечатков в направлении вдоль и поперек волокон, см.
3
2
1
4
Рис.1.1. Схема определения статической
твердости древесины: 1 - образец, 2 - пуансон, 3 - индикатор часового типа, 4 полусферический наконечник радиусом 5,
64 мм.
В практике США определение статической твердости выполняется аналогично, но результат оценивается в кН, как усилие вдавливания шарика
на глубину его радиуса.
1.1.3. Предел прочности при растяжении вдоль волокон
Предел прочности малых чистых образцов на растяжение вдоль волокон
по ГОСТ 16483.23-73 [49] характеризует наибольшую прочность древесины и относится к числу наиболее трудно определяемых. Материал для образца сначала выкалывается из сортимента, чтобы не было отклонений волокон, а затем обрабатывается для получения заданной формы (рис.1.2).
Фрезерование ведут по радиальной поверхности с тем, чтобы рабочая
часть захватывала как можно больше годовых слоев. Допускается изготовлять образцы с наклеенными головками. Образцы испытывают в захватах
испытательной машины со скоростью 3,3 МПа/с, предел прочности вычис-
9
ляют как отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения рабочей части образца (4х20 мм).
Рис.1.2.Образец для испытания древесины на
растяжение вдоль волокон.
Предел прочности пиломатериалов и заготовок при продольном растяжении определяют по ГОСТ 21554.5-78 [53] на отрезках такой длины, чтобы длина его рабочей части, свободной от захватов, превышала ширину
образца не менее чем в 8 раз. Клиновидные губки зажимного приспособления имеют рифление и скос, который позволяет постепенно уменьшать
давление на образец от максимальной величины до нуля. Скорость роста
напряжений при испытании должна составлять 0,15  0,05 МПа/с. Предел
прочности вычисляют как отношение разрушающей нагрузки к площади
поперечного сечения образца. Образцы, разрушившиеся в захватах, при
расчетах не учитываются.
В практике США этот показатель у древесных пород не определяется.
Причина заключается, вероятно, в большой сложности изготовления образцов. В строительстве практически никогда полностью не реализуется
прочность древесины на растяжение вдоль волокон, так как в местах креплений раньше происходит местное смятие или скалывание вдоль или поперек волокон. К тому же предел прочности при растяжении вдоль волокон
чистой древесины довольно точно можно рассчитать по пределам прочности на сжатие и изгиб тех же образцов.
1.1.4. Модуль упругости и предел прочности при изгибе
Данные показатели являются наиболее распространенными в практике
испытаний строительных материалов. Схемы определения предела прочности при изгибе показаны на рис.1.3. Для малых образцов по ГОСТ
16483.3-84 [43] материал испытывают на двух полукруглых опорах с
нагружением в середине пролета со скоростью роста нагрузки примерно в
1 МПа/с. Образцы имеют размеры поперечного сечения b x h =20 х 20 мм,
а расстояние между опорами составляет 240 мм (12h).
При определении предела прочности при изгибе пиломатериалов согласно ГОСТ 21554.2-81 [51] выбрана 4-точечная схема изгиба (рис.1.3.б) с
10
тем, чтобы сортообразующий порок находился в средней трети пролета.
Расстояние между опорами принимается равным 18h, где h -толщина доски (заготовки). Радиус закругления опор должен быть не менее 1,5h, а время испытания не менее 2 и не более 5 минут.
Согласно методике ASTM в США и других странах испытания чистой
древесины на изгиб проводят по трехточечной схеме, но на более крупных
образцах (сечением 51 х 51 мм при длине пролета 14h), которые располагаются на опорных площадках (рис.2в). Наличие опорных площадок позволяет избежать местного смятия древесины, которое неизбежно при использовании круглых опор.
Предел прочности в МПа вычисляют по формулам:
при трехточечном нагружении
 изг 
3 Р max l
при четырехточечном нагружении
 изг 
2bh 2
Р max l
bh 2
;
где Рmax - разрушающая нагрузка на образец, Н; l - расстояние между
опорами, мм; b - ширина образца, мм; h - толщина образца, мм.
60
б)
20
а)
h
18h
240
в)
3h
51
714
Рис.1.3.Схемы определения предела прочности при изгибе: а - малых образцов по ГОСТ 16483.3-84, б - пиломатериалов по ГОСТ 21554.2-81; в образцов чистой древесины по ASTM (США).
Принципиальные отличия в методике определения предела прочности
при изгибе образцов чистой древесины в нашей стране и за рубежом не
позволяют проводить непосредственное сравнение данных по этому показателю для отечественных и других пород древесины. Объём образца
ASTM в 15,4 раза больше, чем нашего образца, поэтому получаемые для
11
него показатели несколько ниже в силу влияния масштабного фактора.
Модуль упругости малых образцов определяется на образцах размером
20 х 20 х 300 мм при расстоянии между опорами 240 мм. [45] Модуль
упругости при изгибе пиломатериалов и заготовок по ГОСТ 21554.1-81[50]
определяется на образцах натурных размеров длиной равной (21- 22) h,
где h - размер в направлении действия изгибающей силы. Предусмотрены
две схемы нагружения (рис.1.4) - с одним или двумя нагружающими элементами. В первом случае модуль упругости вычисляют по формуле:
Е
l3
P
,
4bh f
3
а во втором (по прогибу в зоне чистого изгиба)
E
0,019l 3 P
,
bh 3 f
где l - расстояние между опорами, мм; b - ширина образца, мм; h- толщина
(высота) образца, мм; Р - приращение нагрузки, Н, соответствующее приращению прогиба f, мм.
h
а)
18h
б)
5h
Рис.1.4. Схемы нагружения пиломатериалов при
определении
модуля
упругости при изгибе: атрехточечная; б - 4точечная с замером прогиба в зоне чистого изгиба.
6h
Схема на рис. 1.4б рекомендована также в европейском стандарте EN
408:1995 [141] с той только разницей, что образец нагружается через опорные площадки. Замеряемые при этом прогибы примерно в 12 раз меньше,
чем при испытании по схеме 1.4а, поэтому метод рекомендуется для контроля показателей досок в партии пиломатериалов, но не для целей сортировки.
Следует обратить внимание на то, что в нашей стране сложилась практика использования различных схем нагружения при определении предела
прочности и модуля упругости при изгибе. Это весьма негативный факт,
12
так как он не способствует изучению взаимосвязи этих двух важнейших
показателей. В зарубежной практике модуль упругости при изгибе и предел прочности определяют по одной схеме (рис.4в) на сравнительно крупных образцах (размером 51 х 51 х 760 мм), которые уже нельзя назвать малыми. Поэтому данные по показателям чистой древесины для зарубежных
пород фактически относятся к сортиментам, близким по своим размерам к
заготовкам.
1.1.5. Прочность на сжатие вдоль волокон
Согласно ГОСТ 16483.10-73 [46] предел прочности при сжатии вдоль
волокон для чистой древесины определяют на малых образцах размером
20х20х30 мм (последний размер вдоль волокон) Скорость нагружения составляет 1 МПа/с. Согласно ASTM сжатие вдоль волокон выполняют на
образцах размером 51х51х208 мм, то есть на образцах, которые по своему
объёму больше в 45 раз! Для пиломатериалов по ГОСТ 21554.4-78 [52]
используют отрезки длиной равной пятикратной толщине сортимента.
Образцы испытывают в приспособлении со сферическими поверхностями,
которые обеспечивают самоустановку нажимных пластин. Скорость
нагружения должна составлять 0,15  0,05 МПа/с.
1.1.6. Прочность древесины на сдвиг (скалывание)
Прочность малых образцов на скалывание вдоль волокон определяется
по ГОСТ 16483.5-73 [44], прочность пиломатериалов и заготовок - по
ГОСТ 21554.6-78 (см. рис.1.5).
а)
б)
в)
Рис.1.5. Схемы испытания древесины на скалывание вдоль волокон: а - малых образцов; б - пиломатериалов и заготовок; в - согласно ASTM.
Площадь скалывания составляет для малых образцов 20х30 мм, для
больших 50х50 мм. Показатель, определяемый в этом испытании, называется сопротивлением скалыванию, так как он не обеспечивает чистого
сдвига и не может считаться пределом прочности при сдвиге вдоль волокон.
13
1.2. Базы данных по показателям чистой древесины
Для анализа взаимосвязи показателей чистой древесины между собой
имеется богатый статистический материал, накопленный как в нашей
стране, так и за рубежом. В СССР с 30-х годов сложилась достаточно
стройная система методов испытания малых чистых образцов древесины.
С их помощью был накоплен большой фактический материал по многим
показателям практически всех древесных пород страны. Эти данные были
суммированы в Руководящих технических материалах (РТМ), а затем
оформлены в виде таблиц стандартных справочных данных ГСССД 69-84
[55]. Эти таблицы содержат 16 показателей для 167 пород древесины (с
учетом районов произрастания). Для дальнейшего анализа взяты 7 показателей, характеризующих плотность, упругость и прочность древесины, при
этом хвойные и лиственные породы рассмотрены как отдельные статистические совокупности.
Из зарубежных данных привлечены показатели древесных пород, произрастающих в США и Канаде [104]. Здесь указаны 10 показателей для
112 пород и их разновидностей, в том числе 47 - хвойных и 65 - лиственных. Там же даны показатели тропических пород, определенные по той же
методике ASTM (American Society for Tests of Materials). Ценность этого
массива информации также в том, что все показатели определены как при
влажности 12%, так и при влажности более 30%.
В приложении 1 приведены таблицы данных для указанных массивов
информации. В таблицах 1.1-1.8 даны статистические показатели для лиственных и тропических пород зарубежья, хвойных пород США и Канады,
лиственных и хвойных пород СССР.
Сравнение показателей для пород, произрастающих в нашей стране и
Северной Америке, показано в табл. 1.9. Такое сравнение носит только
ознакомительный характер, так как статистические ряды обработанных
массивов информации имеют неоднородный характер. Каждая варианта
сама по себе представляет среднее арифметическое для ряда значений, характеризующих данную породу и район произрастания. Однако при большой степени усреднения и достаточном числе вариант можно получить
наглядные результаты, характеризующие древесные насаждения двух полушарий нашей планеты. Еще более оправдано привлечение данных по
всем древесным породам при изучении взаимосвязи показателей древеси-
14
ны, что позволяет значительно расширить диапазон исследуемых характеристик чистой древесины.
1.1. Статистические показатели свойств древесины хвойных пород СССР (влажность 12%)
Плот- Модуль Твер- Предел прочности вдоль волокон при
ность
упрудость
Показатели
базисная гости
рад
сжатии изгибе растяж. скалывании
кг/м3
ГПа
Н/мм2
МПа МПа
МПа
МПа
Среднее
485
11,1
22,2
46,8
80,6
93,7
7,37
Минимум
346
7,42
14,1
33,6
43,8
50,5
4,04
Максимум
725
16,8
38
69,5
117
131
12,2
Число вариант
61
36
28
61
61
31
55
Стандартное откло87,2
2,37
6,4
7,82
15,0
22,9
1,5
нение
Вариац. коэффици18,0
21,4
28,7
16,7
18,7
24,4
21,0
ент, %
Эксцесс
0,359
-0,410
-0,07
0,449 0,318
-0,821
0,90
Асимметрия
0,790
0,733
0,615
0,816 0,273
-0,174
0,45
1.2. Статистические показатели свойств древесины лиственных пород СССР
(влажность 12%)
Плот- Модуль Твер- Предел прочности вдоль волокон при
ность
упру- дость
Показатели
базисная гости
рад. сжатии изгибе растяж. скалывании
3
кг/м
ГПа
Н/мм2 МПа
МПа
МПа
МПа
Среднее
647
10,59
47,2
52,6
97,0
113,2
10,3
Минимум
337
4,38
15,7
31,4
55,7
63,2
4,67
Максимум
973
16,7
110
81,7
160,0
212,0
19,0
Число вариант
123
66
64
123
115
39
101
Стандартное откло129,1
2,6
19,4
9,86
21,99
32,84
3,19
нение
Вариац. коэффици20,0
24,7
41,0
18,7
22,7
29,0
30,9
ент, %
Эксцесс
-0,199
-0,150
0,54 0,604 -0,65
1,551
-0,56
Асимметрия
-0,039
0,267
0,37 0,471 0,143
1,142
0,253
1.3. Статистические показатели свойств древесины хвойных пород США и Канады (влажность более 30%)
Плот- Боковая Модуль Предел прочность вдоль волокон
ность
при
Показатели
базисная твердость упругости сжатии
изгибе скалывании
кг/м3
кН
ГПа
МПа,
МПа,
МПа,
Среднее
398
1,7
8,1
20,5
42
5,5
Минимум
290
1,0
3,6
13,0
27
4,2
Максимум
550
2,6
11,4
30,5
60
7,9
Число вариант
68
42
68
67
68
67
Стандартное откло60
0,4
1,5
3,6
8
0,8
нение
Вариац. коэффици15,1
22,3
18,7
17,6
17,8
14,7
ент, %
15
Эксцесс
-0,091
-0,155
1,003
0,174
-0,373
-0,087
Асимметрия
0,536
0,542
-0,442
0,529
0,396
0,591
1.4. Статистические показатели свойств древесины лиственных пород США и
Канады (влажность более 30%)
Базисная Боковая Модуль Предел прочности вдоль волокон при
Показатель
плотность твердость упругости изгибе сжатии скалывании
кг/ куб. м
кН
ГПа
МПа
МПа
МПа
Среднее
515,5
3,60
10,23
55,6
23,8
7,89
Минимум
310
1,1
5,2
27
11,7
3,4
Максимум
800
7
108
118
62,3
15,2
Число вариант
65
51
65
64
64
64
Cтандартное откло99,8
1,35
12,44
15,1
7,28
2,06
нение
Вариац. коэффици19,4
37,5
121,5
27,3
30,6
26,1
ент, %
Эксцесс
-0,040
-0,353
-0,456
-0,632
-0,214
1,622
Асимметрия
-0,151
0,125
0,199
0,090
0,235
0,359
1.5. Статистические показатели свойств древесины хвойных пород США и Канады (влажность 12%)
Относит. Боковая Модуль Предел прочность вдоль волокон при
Показатель
плотность твердость упругости сжатии при изгибе скалывании
кг/м3
кН
ГПа
МПа
МПа
МПа
Среднее
398
2,4
10,1
41,0
72
7,9
Минимум
290
1,4
4,3
24,8
42
4,9
Максимум
550
4,0
14,3
61,0
112
11,6
Число вариант
68
43
68
68
68
66
Стандартное откло60
0,6
1,9
7,2
14
1,4
нение
Вариац. коэффици15,1
26,5
19,2
17,6
19,0
17,9
ент, %
Эксцесс
-0,091
0,310
0,753
0,278
0,661
-0,423
1.6. Статистические показатели свойств древесины лиственных пород США и Канады (влажность 12%)
Базисная Модуль Боковая Прочность вдоль волокон при
Показатели
плотность упругости твердость изгибе сжатии скалывании
кг/ куб. м
ГПа
кН
МПа
МПа
МПа
Среднее
568
11,1
4,7
91,4
46,1
11,6
Минимальное
340
7
1,6
47
27,7
5,4
Максимальное
880
15,7
8,1
139
70,2
18,3
Число вариант
65
65
51
65
65
62
Cтандартное откло114,2
2,2
1,7
23,5
9,7
2,9
нение
Вариац. коэффици20,1
19,7
35,3
25,8
21,0
25,2
ент, %
Эксцесс
-0,337
-0,588
-0,703
-0,798
-0,458
-0,492
Асимметрия
-0,131
0,171
-0,178
0,154
0,255
-0,156
16
1.7. Статистические показатели физико-механических свойств древесины тропических пород (влажность более 30%)
Базисная Модуль Боковая Прочность вдоль волокон при
Показатель
плотность упругости твердость изгибе сжатии скалывании
кг/.м3
ГПа
кН
МПа
МПа
МПа
Среднее
545
10,8
4,3
68,1
32,9
8,1
Минимум
330
4,9
1,4
35,4
16,5
4,6
Максимум
920
21,1
13,2
157,5
73,5
14,8
Число вариант
47
46
47
47
46
45
Стандартное откло148
3,1
2,7
25,9
12,2
2,5
нение
Вариац. коэффици27,2
28,8
62,4
38,1
37,1
31,2
ент, %
Эксцесс
-0,327
3,570
2,446
3,197
3,231
0,421
Асимметрия
0,712
1,401
1,615
1,634
1,564
0,932
1.8. Статистические показатели свойств древесины тропических пород (влажность
12%)
Базисная Модуль Боковая Предел прочности вдоль волокон при
Показатели
плотность упругости твердость изгибе сжатии скалывании
кг/куб. м
ГПа
кН
МПа
МПа
МПа
Среднее
533
12,4
5,1
96,0
50,8
10,7
Минимум
170
3,8
0,4
19,3
11,7
2,1
Максимум
920
25,5
16,3
181,4
92,5
17
Число вариант
50
49
49
50
50
46
Стандартное откло155
3,9
3,3
32,1
15,8
3,2
нение
Вариац. коэффици29,0
31,1
65,7
33,5
31,2
29,7
ент, %
Эксцесс
0,011
2,640
2,129
0,733
0,626
-0,226
Асимметрия
0,486
0,975
1,524
0,533
0,342
-0,139
Во всех вышеприведенных таблицах использованы данные по боковой
(радиальной) твердости. Для скалывания вдоль волокон выбрано также радиальное направление. Под показателями "эксцесс" и " асимметрия" в
таблицах приведены отношения этих показателей к их ошибкам. Во всех
случаях они не превышают трех. Это показывает, что все без исключения
массивы данных подчиняются законам нормального распределения.
Изменчивость показателей, характеризуемая вариационным коэффициентом, различна для различных показателей. Наименьшую изменчивость
показывает базисная плотность древесины - для хвойных пород на уровне
15 - 18%, для лиственных - 20-28%. Максимальной изменчивостью отличается твердость древесины, особенно для лиственных пород - вариационный коэффициент достигает 65%. Такая высокая вариация свойств позво-
17
ляет хорошо проследить взаимосвязь показателей. Ниже в табл.1.9 дано
сравнение показателей по древесным породам, произрастающим на разных
полушариях нашей планеты
1.9. Сравнение средних величин показателей древесных пород, произрастающих в
различных регионах Земли
Показатели
Породы
Хвойные Хвойные США Лиственные
Лиственные
СССР
и Канады
СССР
США и Канады
Плотность базисная,
485
398
647
569
кг/м3
Твердость, кН
2,22
2,4
4,72
4,7
Модуль упругости,
11,1
10,1
10,6
11,1
ГПа
Предел прочности при
46,8
41,0
52,6
46,1
сжатии, МПа
Предел прочности при
7,37
7,9
10,3
11,6
скалывании, МПа
Предел прочности при
80,6
72,0
97,0
91,4
изгибе, МПа
Из таблицы видно, что по плотности древесины отечественные породы
превосходят породы США и Канады - хвойные на 21,8%, лиственные - на
13,7%. Это же касается и прочности при сжатии и изгибе, но в этом случает прямое сравнение проводить нельзя, так как в основе испытаний лежат
образцы разного объёма. По остальным показателям картина нечеткая. В
следующей таблице мы сравнили данные по плотности древесины (как
наиболее значимому показателю) хвойных пород одного наименования, но
произрастающих в разных регионах Земли.
1.10. Средние значения базисной плотности для различных хвойных пород, кг/м3
Район произрастания
СССР
США и Канада
Породы
среднее.
Число вариант
среднее.
Число вариант
(мин. - макс.)
(мин. - макс.)
Ель
444
10
369
9
(386 - 475)
(330 - 410)
Лиственница
600
14
500
4
(496 - 725)
(480 - 550)
Пихта
390
11
353
10
(346 - 436)
(310 - 400)
Сосна и кедр
472
23
416
27
(356 - 546)
(310 - 540)
Сравнение показывает четкую разницу в плотности древесины хвойных
пород, произрастающих в разных полушариях планеты. Отечественные
породы имеют более высокую плотность в силу более суровых климатических условий, характерных для России и особенно Сибири.
18
1.3. Данные по прочностным показателям пиломатериалов
Стандарты на методы определения показателей прочности и упругости
пиломатериалов предусматривают методы испытаний, существенно отличающиеся от методов испытаний малых образцов. Поэтому прямое сопоставление массивов информации невозможно, тем более что при испытании отрезков пиломатериалов ориентируются на худший участок доски,
содержащий тот или иной сортообразующий порок. В этом смысле пиломатериалы представляют собой качественно новую статистическую совокупность, иной материал, механические показатели которого определяются не столько многочисленными элементами микростроения древесины,
сколько наличием крупного дефекта типа сучка, все характеристики которого очень сильно отличаются от характеристик чистой древесины.
Прочность пиломатериалов при продольном растяжении стали исследовать лишь в последние десятилетия. В табл.1.11 приводятся результаты
испытания пиломатериалов 3 и 4 сортов по ГОСТ 8486 для хвойных пород,
произрастающих в Восточно-Сибирском регионе [3].
1.11. Прочность пиломатериалов 3 и 4 сортов хвойных пород, по [80]
Порода
Сечение, мм
Предел прочности, МПа Вар. коэффициент, %
Лиственница
50 х 100
29,6
30,0
40 х 100
30,1
28,2
Ель
50 х 100
20,5
26,8
40 х 100
20,0
32,0
Сосна
50 х 100
15,1
34,4
40 х 100
16,4
40,8
Длина образцов составила 1,8 м, испытано по 100 образцов для каждого
сечения (всего 600 штук). Отмечено, что 20% из них разрушились вблизи
захватов, а не в зоне сортообразующего порока. Обращает на себя внимание очень высокая изменчивость пределов прочности при растяжении - вариационный коэффициент составляет до 40%.
Аналогичные результаты получены для сосновых пиломатериалов 4 и 5
сортов по ТУ 13-0204 из Карелии при влажности 18% [57].
1.12. Прочность на растяжение вдоль волокон п/м 4 и 5 сортов [57]
Сечение, мм Сорт
Предел прочности
Мср, МПа V,% n, шт.
38 х 150
4
20,94
37,7
51
5
16,83
43,9
50
63 х 175
4
14,19
29,4
48
5
16,82
39,7
47
19
Здесь также отмечена высокая изменчивость измеряемых пределов
прочности при продольном растяжении. Этот факт говорит о том, что знание средних величин прочности в партии досок не имеет практического
значения. Предварительная визуальная сортировка пиломатериалов по
наличию пороков не явилась сортировкой по прочности. Для сечения 63 х
175 доски 5 сорта оказались даже прочнее (в среднем!), чем доски 4 сорта.
Приведенные цифры показывают, что обычная сортировка досок не может удовлетворить тех потребителей, кто ориентируется на применение
досок с учетом их прочностных и деформационных свойств. Изменчивость
показателей пиломатериалов выше, чем у чистых образцов, так как наличие пороков вносит дополнительную дисперсию в результаты. Обращает
на себя внимание тот факт, что абсолютные значения прочности при растяжении пиломатериалов вдоль волокон в 2-4 раза ниже, чем для малых
образцов. Это связано не только с пороками строения, но и с увеличенными размерами образцов (о масштабном факторе см. глава III). Модуль
упругости при растяжении крупных образцов (отрезков пиломатериалов)
практически не исследован. Причина заключается в том, что он близок к
модулю упругости при изгибе, который определяется значительно легче.
Прочность пиломатериалов на сжатие вдоль волокон (ГОСТ 21554.4-78)
показано в табл.1.13, 1.14 по указанным выше источникам [57, 80].
Можно видеть, что прочность сосновых и еловых пиломатериалов из
древесины разных насаждений при влажности 18% примерно одинакова и
вдвое меньше, чем малых чистых образцов. Вместе с тем, прочность крупных чистых образцов и образцов с пороками отличаются незначительно примерно в 1,5 раза для сухих образцов и на 10-15% - для влажных. Это
сравнение наглядно показывает, что с увеличением размера образцов их
пределы прочности снижаются. Испытатели отмечают также, что характер
разрушения образцов зависит от наличия сучка в образце и его влажности.
Сухие образцы с сучками и без сучков разрушались с образованием складок, влажные образцы без пороков - всегда со смятием торцев.
1.13. Прочность еловых пиломатериалов на продольное сжатие (Красноярский
край)
Сечение досок, мм Сорт п /м Предел прочности, МПа Вариац. коэфф-т, %
40 х 100
3
21,0
18,4
4
20,1
29,1
50 х 100
3
26,2
13,8
4
26,1
9,4
20
1.14. Прочность сосновых пиломатериалов на продольное сжатие (Карелия)
Сечение п/м, мм Влажность, %
Сорт
Предел прочности
Мср, МПа
V,%
n, шт.
Образцы с сучками
38 х 50
18
4
26,6
22,0
47
30
4
15,0
15,4
49
5
16,1
23,7
49
63 х 50
18
4
30,2
20,6
53
5
31,1
21,8
48
30
4
18,7
11,7
51
5
18,5
20,1
50
Образцы без пороков
38 х 50
18
4
35,2
14,4
50
5
26,1
16,3
52
30
4
16,5
24,3
48
5
18,6
29,6
49
63 х 50
18
4
42,1
11,1
52
5
39,2
23,6
48
30
4
19,3
9,8
51
5
19,3
17,4
50
Здесь и далее: Мср – среднее арифметическое, V – вариационный коэффициент, n число образцов.
Несущественное отличие в прочности образцов из досок 4 и 5 сортов,
особенно при высокой влажности показывает, что сучок способен играть в
древесине армирующую роль. Как показали обстоятельные эксперименты
Ю.С.Соболева [99], даже в малых чистых образцах распределение напряжений далеко от равномерного. Нетрудно предположить, что любая неоднородность в образце сильно увеличивает эту неравномерность. Сучок и
сопутствующий ему завиток (присучковый косослой) способны принципиально изменить всю картину напряжений в сжимаемом образце, вплоть
до увеличения прочности образца по сравнению с прямослойным образцом.
Экспериментальные данные по модулям упругости сравнительно немногочисленны. Авторы [106, 75] отмечают, что таковые при сжатии и растяжении примерно одинаковы. Вероятно, это происходит потому, что при
малых напряжениях форма сжатых волокон еще не нарушается. При испытании до разрушения получаем значительно меньшие пределы прочности
при сжатии, чем при растяжении, что вполне согласуется с волокнистой
структурой материала.
Определить предел прочности древесины при чистом сдвиге практически очень трудно в виду большой склонности ее к раскалыванию и трудно-
21
сти получения равномерного распределения сдвигающих напряжений по
всей плоскости скалывания. Поэтому для характеристики прочности на
сдвиг широко используют данные испытаний на скалывание вдоль волокон. Исследования Ф.П.Белянкина [3], проверившего большое число форм
образцов на скалывание древесины, показали, что во всех без исключения
случаях наблюдается сложное напряженное состояние, то есть наличие
как касательных, так и нормальных напряжений по плоскости скалывания
и весьма неравномерное их распределение. По этой причине сопротивление скалыванию не отождествляют с пределом прочности на сдвиг вдоль
волокон, а считают условной технологической характеристикой, достаточной для сравнения различных древесных пород, изучения влияния различных факторов и пр. Ниже даны показатели сопротивления скалыванию для
сосновых пиломатериалов.
1.15.Прочность на скалывание вдоль волокон образцов из сосновых пиломатериалов (Карелия) [57]
Сечение
Влажность
Сорт пилоСопротивление скалыванию
мм
%
материалов
Мср, МПа
V, %
n, шт.
38 х 150
18
4
5,77
14,7
111
5
4,17
15,0
110
30
4
3,47
12,1
111
5
3,52
13,4
111
63 х 175
18
4
5,81
15,1
118
5
4,96
20,7
110
30
4
4,11
17,8
118
5
4,49
19,7
106
Обращает на себя внимание то, что прочность крупных образцов на скалывание примерно в 2 раза ниже, чем малых образцов, а изменчивость
средних величин сравнительно низкая - вариационные коэффициенты в
пределах 12 - 20%.
Прочность пиломатериалов при статическом изгибе исследована сравнительно широко. Первые обстоятельные
работы принадлежат
Е.И.Савкову [97]. В его книге на большом экспериментальном материале
показано влияние размеров досок, основных пороков и методических факторов на прочность досок. В качестве справочного материала в табл. 1.16
приведены данные Е.И.Савкова по прочности пиломатериалов различного
сечения при влажности 15 и 30%. Доски испытаны на постоянном пролете
2600 мм по четырехточечной схеме нагружения при скорости движения
нагружающего элемента 50 мм/мин.
22
1.16. Прочность пиломатериалов при статическом изгибе, по [97].
Сечение,
Сорт
Влажность,
Предел прочности при изгибе
мм
%
Мср, МПа
V,%
n, шт.
100 х 200
1
30
30,6
16,0
51
2
28,9
17,0
43
3
26,6
23,0
75
100 х 150
1
30/15
36,3/42,5
16,0/18,0
90/49
2
30
30,4
14,0
31
3
30/15
23,9/34,7
20,0/28,0
120/64
100 х 100
1
30
29,2
14,0
71
2
33,2
12,0
46
3
29,2
14,0
71
50 х 200
1
30
32,8
22,0
30
2
34,2
20,0
47
3
30,6
20,0
70
50 х 150
1
30/15
35,6/44,0
17,0/29,0
66/47
2
30
30,0
19,0
41
3
30/15
28,2/35,2
22,0/35,0
100/72
50 х 100
1
30
33,0
20,0
87
2
29,8
26,0
43
3
25,0
29,0
53
200 х 50
1
30
38,5
17,0
47
2
38,8
13,0
43
3
33,7
17,0
59
Эти опыты показали, что в среднем прочность досок при изгибе снижается при ухудшении сорта, однако изменчивость средних настолько велика, что в пределах одного сорта можно встретить доски очень разной
прочности. Например, для досок сечением 150 х 50 мм для различных сортов получаем такой разброс результатов в диапазоне Мср2V, где V - вариационный коэффициент: для 1 сорта - 28,3 - 52,5 МПа, для 2 сорта - 24,5 49,7 МПа, для 3 сорта - 20,4 - 47,4 МПа. Для сухих пиломатериалов показатели выше, но увеличивается и изменчивость показателей - вариационный коэффициент доходит до 35%, то есть сушка древесины вносит дополнительную изменчивость в прочностные свойства древесины.
Таким образом, работы Е.И.Савкова впервые показали, что традиционный способ сортировки досок по видимым порокам древесины лишь в самой малой степени является сортировкой по прочности, так как не учитывает физико - механические показатели древесины. Последующие эксперименты многих авторов [57, 81] наглядно подтвердили эти результаты. В
табл.1.17 и на рис 1. даны результаты наших испытаний [15] сосновых заготовок для кузовов автомобиля ЗИЛ-130. Сечение заготовок 43 х 130 и 34
23
х 130 мм, расстояние между опорами 900 мм, влажность древесины 1013%, схема испытания трехточечная, скорость движения нагружающего
элемента 0,8 мм/с. Заготовки были рассортированы на 4 группы качества
согласно ГОСТ 9685-61.
шт
.
15
10
5
Брак
20
100 МПа
шт
.
40
шт
.
шт
.
80 МПа
15
10
5
4 группа
20
шт
.
60
40
60
80
15
10
5
3 группа
20
40
МПа МПМПа
15
10
5
15
10
5
100 МПа
20
МПа
20
МПа
Частотное
40
60
80
100
2 группа
60
80
100
1 группа
40
60
80
100
изг
Рис.1.6.
распределение прочности при изгибе заготовок
автостроения в зависимости от группы качества
1.17. Прочность при изгибе заготовок для автостроения, по [15]
Группа
Предел прочности при изгибе
качества
Мср, МПа
V,%
Первая
81.9
14.7
Вторая
66,3
21,4
Третья
58,3
38,2
Четвертая
58,3
30,5
Брак
52,4
40,7
n, шт.
23
55
27
34
21
Из этих данных видно, что пределы прочности при изгибе сухих заготовок подвержены сильной изменчивости, которая имеет тенденцию к увеличению с ухудшением качества древесины. Для группы "брак" вариационный коэффициент составил 40,7% с диапазоном прочности от 29 до 93
МПа. То есть, в отбракованных досках есть такие, прочность которых выше, чем средняя прочность заготовок в первой группе качества. Здесь речь
24
идет уже о не обезличенных пиломатериалах, а о заготовках целевого
назначения, для которых главными являются не внешний вид, а прочностные свойства.
Модули упругости пиломатериалов исследованы достаточно широко. В
табл.1.18 обобщены некоторые из известных данных [40, 57].
1.18. Модули упругости пиломатериалов хвойных пород
Порода
Влажность, % Сорт
Модуль упругости
и сечение, мм
Мср, ГПа
V, %
Сосна,
30
0
10,1
14,8
150 х 50
1
9,04
15,1
2
8,58
13,5
Сосна,
18
4
6,87
17,7
150 х 50
5
7,76
20,8
Сосна,
18
4
6,76
20,3
100 х 38
5
7,80
21,5
Ель, 100 х 50
18
4+5
8,38
16,5
Ель, 38 х 100
18
4+5
8,58
18,6
n, шт.
34
65
59
97
82
60
71
92
90
Модули упругости пиломатериалов колеблются в пределах 6 - 10 ГПа и
несущественно зависят от сорта досок. Вариационные коэффициенты
находятся на том же уровне, что и дли прочности пиломатериалов.
Плотность пиломатериалов и заготовок определяется очень редко. Нам
известен только один документ, где предписана оценка качества древесины по ее плотности - ГОСТ 3934-71 [41]. Стандарт предусматривает метод
плотности для оценки механических свойств древесины и весовой метод.
1.19. Нормативы плотности авиационных заготовок (ГОСТ 3934) и соответствующие им значения базисной плотности
Порода Группа
Плотность R15, кг/м3 Плотность Rбаз, кг/м3
качества миним. средняя
миним.
средняя
Сосна
1
510
560
423
455
2
470
540
390
448
2а
450
530
374
440
3
410
450
340
374
Ель
1
480
530
400
440
2
430
490
357
407
2а
400
490
332
407
3
380
410
315
340
Метод плотности в основном соответствует стандартному методу для
малых чистых образцов, а весовой заключается в сравнении массы заготовки с расчетной контрольной массой Mr = Rw Vcр , где Vcр - средний
объём заготовки. Плотность при влажности в момент испытаний Rw пересчитывается на влажность 12% и увеличивается на 50 кг/м3. В зависимо25
сти от группы качества нормированы, например, для сосны и ели, следующие величины плотности R15 (табл.1.19). Если сравнить с табл.1.2, то можно заметить, что нормируемые показатели достаточно равномерно перекрывают диапазон изменчивости плотности сосны и ели.
1.4 Влияние переменных факторов на показатели чистой
древесины
Можно допустить, что прочность и упругость древесины необходимо и
достаточно определяются следующими основными параметрами: плотность, влажность, температура, время действия нагрузки, наличие структурных неоднородностей, наклон волокон, размеры образца. Для получения обоснованных уравнений связи между показателями чистой древесины
и пиломатериалов необходимо систематизировать данные по влиянию этих
факторов на прочность и модуль упругости древесины, найти адекватные
математические модели для описания этих влияний.
Прочность древесины по современным представлениям является наиболее существенным показателем материала. Однако приоритет этого показателя перед другими иногда подвергается сомнению. Например, В.П.
Ерыхов [26] отмечает, что «неразрушающие параметры, во всяком случае,
не хуже традиционных прочностных характеристик». Подтверждением
этому является и перечень основных параметров. Прочность любого материала не является константой, а зависит, иногда значительно, от времени
действия нагрузки (скорости испытания) и размеров образца. Почти вся
информация по пределам прочности древесины базируется на экспериментальных данных для малых чистых образцов и отрезков пиломатериалов,
то есть объектах, размеры которых далеки от размеров реальных элементов строительных конструкций.
Исследование температурно-временной зависимости прочности твердых
тел [61, 95] показало, что разрушение тела есть результат какого-то процесса, происходящего в материале под действием этой нагрузки, а не
мгновенный акт. Была высказана гипотеза о том, что внешняя сила сама не
осуществляет разрыва межатомных связей, а лишь активирует процесс
разрушения, в основе которого лежат тепловые флуктуации. В ненагруженном теле термофлуктационные акты редки и не приводят к накоплению разорванных связей, так как наряду с разрывом происходит и рекомбинация (восстановление) связей. При нагружении тела атомы оказывают-
26
ся в более возбужденном состоянии. Энергетический барьер разрыва снижается, и при некоторой нагрузке доля разрывов будет превосходить долю
восстановленных связей. В результате этого в теле будут накапливаться
субмикроскопические трещины, которые со временем перерастут в микроскопические разрывы и дадут магистральную трещину. Этот процесс описывается уравнением долговечности, в основе которого лежат фундаментальные константы:
   0 exp(
U 0  
)
kT
где 0 - период колебаний атомов в твердом теле (  10-13 с); U0 – энергия
связи атомов, ккал/моль;  - напряжение; k – постоянная Больцмана
(1,38*10-23 дж/град); Т – температура, 0К;  - коэффициент структурной неоднородности материала.
Последняя величина и есть собственно характеристика прочности данного материала. Коэффициент перенапряжений характеризует неоднородность строения материала на субмикроскопическом уровне, поскольку любая неоднородность есть причина концентрации напряжений. Другими
словами, всякое тело настолько прочно, насколько оно однородно по своей
структуре на всех уровнях строения.
Из предыдущей формулы следует:

1

[U 0  kT ln(

)]
0
Эта формула позволяет оценить влияние двух важнейших факторов на
прочность древесины с позиций кинетической концепции прочности, а
именно, температуры тела и времени действия нагрузки (скорости нагружения). При этом мы вынуждены допускать, что структурный коэффициент при этом остается постоянным.
В монографии [95] рассматривается также вопрос о физической сущности процесса разрушения и деформирования. Отмечено, что деформирование связано с обратимыми разрывами межатомных связей, а разрушение –
с необратимыми разрывами. Любое силовое воздействие вызывает, прежде
всего, перемещение системы атомов, а затем их разрывы – обратимые или
необратимые в зависимости от величины напряжения, температуры и
строения материала. Следовательно, деформативные и прочностные свойства вещества тесно взаимосвязаны и имеют одну физическую природу.
27
1.4.1. Влияние влажности на механические показатели древесины
Предел прпочности при
растяжении, МПа
По степени влияния на все физико – механические показатели древесины ее влажность является наиболее существенным фактором. Исследованию влияния этого фактора посвящено множество работ, имеется богатый
статистический материал, который требует нового обобщения. При рассмотрении этой проблемы следует различать вид напряженного состояния
древесины, ее температуру, плотность и другие параметры. Рассмотрим
сначала влияние влажности на прочность при постоянной температуре
древесины.
Влияние влажности на прочность древесины при растяжении вдоль волокон изучено довольно слабо. В книге F.Kollmann`а [126] мы можем почерпнуть данные, полученные в 20-40-х годах в Европе и США. Согласно
одним данным зависимость можно оценивать как линейную и полагать,
что изменение влажности на 1% вызывает изменение прочности примерно
на 3%. Более поздние работы O.Graf`а и W.Koch`а (цитируется по [126])
выявили характерную особенность функции р = f(W) – наличие максимума при влажности древесины в диапазоне примерно 0 …10% (рис.1.7) .
160
Рис.1.7. Зависимость предела
прочности древесины при
растяжении вдоль волокон
от влажности по O.Graff`у
и W.Koch`у
120
80
40
0
0
20
40
60
80
100
Влажность древесины, %
F. Kollmann дает этому два возможных объяснения:
1) Макромолекулы целлюлозы в очень сухой древесине находятся под
напряжением растяжения, которые снижаются при увлажнении за счет
некоторого удлинения молекул.
2) Хрупкость абсолютно сухой древесины выше, что обуславливает появление в ней концентраторов напряжений.
Довольно обстоятельные исследования провел в этом направлении
M.Kuffner [129]. Он исследовал прочность при растяжении вдоль волокон
образцов 7 пород с плотностью от 440 до 1120 кг/м3 в диапазоне влажности
0 – 30%. Общий выровненный график для всех пород показан на рис.1.8.
28
Предел прочности при
растяжении, МПа
80
Рис.1.8.
Зависимость
предела прочности при
растяжении вдоль волокон от влажности древесины по M.Kuffner`у.
60
40
20
0
0
4
9
15
20
25
Влажность древесины, %
30
Еще раз подтверждено наличие снижения прочности при влажности
близкой к нулю. Если же в целом график считать прямолинейным, то поправочный коэффициент на влажность составит 0,8.
Учебник [106] рекомендует пересчет предела прочности при растяжении к стандартной влажности 12% по формуле  р 12   p w [1   (W  12)] ,
Предел прочности при
сжатии, МПа
где пересчетный коэффициент  = 0,01, то есть изменение влажности на
1% вызывает снижение прочности на 1%.
Для пяти видов механических испытаний предусмотрена возможность
пересчета по формуле
 w   12 K w ,
где значения пересчетных коэффициентов Кw дифференцированы по видам
механических испытаний и плотности древесины.
Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон очень сильно
зависит от влажности. В многочисленных экспериментах получены графики сж = f(W), характер которых показан на рис. 1.9 для древесины ели и
березы.
120
100
80
Рис.1.9. Зависимость
предела прочности при
сжатии вдоль волокон
от влажности для березы (1) и ели (2).
60
40
20
0
0
20
40
60
Влажность древесины, %
Упрощенно эту зависимость трактуют как линейную в диапазоне влажности от 0 до 30% с коэффициентом снижения 4-6% на 1% увеличения
влажности древесины. Следует обратить внимание на то, что данная функция не имеет экстремума, характерного для предела прочности при растяжении вдоль волокон. Это согласуется с трактовкой явления, объясняющего снижение прочности при малой влажности дополнительными напряже-
29
Прочность при изгибе,
%
Предел прочности при
изгибе,МПа
ниями растяжения макромолекул целлюлозы. Естественно, что эти напряжения не могут снизить предел прочности при сжатии вдоль волокон.
В отечественной литература широко цитируются данные Ф.П. Белянкина [4] для древесины дуба, полученные при изменении температуры от 25
до 100 0С и влажности от 0 до 60%. Показано, что влияние влажности на
прочность при сжатии очень велико – при комнатной температуре увлажнение древесины от 0 до 60% приводит к снижению прочности почти в 3
раза, а одновременное увеличение температуры и влажности снижает предел прочности в 15 – 20 раз. При этом зависимость сж = f(W) явно не может быть выражена уравнением прямой.
Влияние влажности древесины на сопротивление скалыванию характерно тем, что при скалывании может быть обнаружена та же особенность,
что и при растяжении вдоль волокон – экстремум функции при влажности
5 – 10%. При испытании образцов с двумя плоскостями скалывания такого
максимума не обнаружено, а степень снижения прочности меньше, чем в
случаях, где испытаны образцы с одной плоскостью скалывания. Все это
говорит о том, что на результаты испытания влияют некоторые неучтенные факторы Согласно ГСССД 69-84 [55] зависимость  = f(W) незначительно отличается от уравнения прямой и в среднем влияние влажности
можно оценить как 3% на 1% влажности.
Влияние влажности на прочность древесины при статическом изгибе
представлено на рис.1.10 графиками изг = f(W), взятыми из книги
F.Kollmann`а [126]. Они показывают, что влияние влажности на этот показатель аналогично влиянию ее на прочность при растяжении, то есть при
очень малой влажности прочность может быть несколько ниже, чем при
влажности 5-8%.
Стандартные справочные данные [55] дают зависимости, показанные на
рис.1.11. Они действительны только для диапазона от 5 до 30%. Обратим
внимание на то, что здесь предполагается, что степень снижения прочности древесины при ее увлажнении зависит от плотности древесины.
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
Влажность древесины, %
Рис. 1.10. Влияние влажности на
предел прочности древесины при
изгибе (по [126]) для ясеня (1),
бука(2) и сосны (3).
30
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
Влажность древесины, %
Рис. 1.11. Зависимость прочности
при изгибе от влажности древесины при различной ее плотности:
1 – 400, 2 – 600, 3 – 800 кг/м3 (расчеты по данным [55]).
Эти данные относятся к чистым образцам древесины. В отношении пиломатериалов и заготовок дело обстоит несколько иначе. Как отмечают исследователи, прочность неравномерно высушенной древесины может быть
выше, чем это можно ожидать по средней влажности образца, так как
наружные, наиболее нагруженные при изгибе зоны, имеют более низкую
влажность, чем внутренние.
Интересные результаты получены А.Н. Песоцким и В.И. Корнеевым [52]
при исследовании прочности при изгибе пиломатериалов 0 … 4 сортов по
ГОСТ 8486-66, прошедших сушку по различным режимам. Чем жестче режим сушки, тем выше оказалось прочность досок. Это связано с неравномерным распределением влаги по сечению пиломатериала. Сорт досок
также влияет на степень снижения их прочности при увеличении средней
влажности древесины. Опыты показали, что для высокосортных досок
прочность выше, а пересчетный коэффициент ниже, чем для низкосортных. Для малых образцов наблюдаем обратную картину – для прочных образцов пересчетный коэффициент выше. Следует помнить, что там высокая прочность связана только с высокой плотностью древесины, а для пиломатериалов также с отсутствием пороков и дефектов обработки. Абсолютные значения коэффициентов для досок оказываются выше, чем для
малых образцов, в том числе для мягкого режима сушки и досок 0-го сорта.
Следовательно, для деталей строительных конструкций влияние влажности на прочность при изгибе выражено менее сильно, чем для малых чистых образцов. Причина этого заключается, видимо, в том, что влага оказывает пластифицирующее действие на древесину. В силу этого повышение влажности приводит к снижению концентрации напряжений в местах
структурных неоднородностей древесины, что и снижает крутизну характеристики изг = f(W) . Это означает, что для пиломатериалов необходимо
использовать более низкие пересчетные коэффициенты на влажность, чем
полученные для малых образцов.
Влияние влажности на модули упругости древесины исследовано в работе M. Kuffner`а [129]. Изменение динамического модуля упругости,
определенного резонансным способом, и статического, рассчитанного по
упругим деформациям, описывается уравнением параболы третьего порядка, то есть кривой с точкой перегиба. В книге F. Kollmann`а [126] также
приведен обширный материал по этому вопросу. Характер некоторых кривых, описывающих зависимость Е = f(W), показан на рис.1.12.
Модули упругости,
ГПа
200
Рис.1.12. Влияние влажности древесины на ее модуль упругости при изгибе
(1) и растяжении (2), по
[126].
150
100
50
0
0
5
10
15
20
Влажность, %
25
30
31
1.4.2. Влияние температуры древесины на ее прочность
Прочгность при сжатии,
%
Согласно кинетической концепции прочности можно записать в самом
упрощенном виде:  = a – bT, где Т – температура древесины. В упомянутой работе Ф. Белянкина [4] исследована зависимость прочности древесины дуба при сжатии от температуры, где хорошо подтверждается линейный характер этой зависимости (рис.1.13).
100
80
60
40
2
3
20
4
1
0
0
20
40
60
Температура,град.
80
100
Рис.1.13 Зависимость прочности древесины дуба при
сжатии от температуры
по данным [4] при влажности 0% (1), 9% (2), 15% (3) и
30% (4). За 100% принят показатель при влажности 0%
и температуре 00 С.
При увеличении температуры от 0 до 1000С прочность абсолютно сухой
древесины снижается на 34%, а сырой – на 30%, при этом совместное влияние температуры и влажности снижает прочность дуба при сжатии на
94%. Аналогичные данные можно найти у F. Kollmann`а [126, стр.741] для
температур в диапазоне от –160 до +160 0С. Для абсолютно сухой древесины предложена зависимость  1   2  kT (T2  T1 ) , где температурный коэффициент kT =4,760, г де 0 – плотность абсолютно сухой древесины в
г/куб. см.
Там же [126, стр. 665] можно найти данные по влиянию температуры на
прочность сосны при растяжении вдоль волокон. При влажности 12% и
увеличении температуры с 10 до 1000С прочность снизилась всего на 15%.
F.Kollmann приводит также данные Thunel`а [126, стр.805] по влиянию
температуры на прочность древесины при изгибе. Здесь также наблюдается примерно линейная зависимость прочности от температуры в диапазоне
от –20 до +400С. Из последних работ заслуживает упоминания работа
Т.П.Хмелидзе и др. [112], в которой изучалось влияние температуры от 20
до 230 0С на прочность сосны и лиственницы при растяжении, сжатии,
скалывании и изгибе (рис.1.14). Расчеты температурных коэффициентов
KT по этим данным дали следующие результаты (табл.1.20).
1.20 Значения температурных коэффициентов для двух пород древесины по данным [112]
Порода
Коэффициенты KT в МПа / град (% / град) при
растяжении
сжатии
скалывании
изгибе
Сосна
0,27 (0,30)
0,11 (0,25)
0,02 (0,22)
0,56 (0,68)
Лиственница
0,44 (0,36)
0,09 (0,17)
0,08 (0,36)
0,80 (0,72)
32
1
100
Прочность, МПа
Прочность, МПа
120
2
80
60
3
40
4
20
0
0
50
200
150
100
Температура, град.
250
140
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Температура, град.
250
Рис.1.14 Влияние температуры на прочность сосны (а) и лиственницы (б)
при растяжении (1), изгибе (2), сжатии (3) и скалывании (4) вдоль волокон
по данным [112]
Теже величины, рассчитанные по данным Ф.П. Белянкина (для сжатия
вдоль волокон древесины дуба), дают значения KT = 0,32 …0,42, незначительно завися от влажности древесины. Из этих расчетов видно, что при
растяжении, сжатии и скалывании в среднем увеличении температуры на
10С (в диапазоне до 1000С) снижает прочность на 0,2 – 0,35%, а при изгибе
на 0,7%. Последняя цифра находит подтверждение и в данных
F.Kollmann`а и F. Schulz`а [126], г де KT = 0,72 % / град. Вместе с тем, официальный документ - таблицы стандартных справочных данных [55] указывает поправочный коэффициент на температуру для ели равным 0,29, а
для сосны 0,44 %/град. Поэтому, учитывая незначительную степень влияния температуры на показатели древесины, мы рекомендуем для практических целей использовать для всех видов нагружения единый поправочный
коэффициент 0,3 %/град в диапазоне температур не выше 40 0С.
Влияние температуры древесины на ее модуль упругости исследовано в
работах F. Kollmann`а [126], Т.П. Хмелидзе [112], R. Ganowitz [123] и других [125, 133]. Почти во всех испытаниях подтвержден примерно линейный характер зависимости E(W), однако замечено, что при замерзании
влажной древесины ее модуль упругости резко возрастает. Из этих экспериментальных данных для практических целей можно считать, что температурный коэффициент для модуля упругости составляет 0,1 – 0,2 %/град.
Поскольку удаление связанной влаги из древесины связано с большими
затратами энергии, а с повышением температуры ее предел гигроскопичности несколько снижается, то ясно, что оба эти параметра – влажность и
температуру - необходимо рассматривать совместно. Уравнение долговечности (с.22) не содержит влажность материала как параметр, поэтому
следует предполагать, что влажность древесины изменяет величину коэффициента «» этого уравнения и является для древесины своего рода пластификатором.. Ю.М.Иванов [65, 66] в развитие кинетической концепции
прочности вводит понятие структурно – чувствительного коэффициента,
зависящего от влажности древесины. На основании результатов работы
33
Ф.П.Белянкина [4] показано, что зависимость этого коэффициента от
влажности образует пучок прямых, угол наклона которых увеличивается с
увеличением температуры. К сожалению эта зависимость не отражает реального изменения прочности при влажности более 30% и пока не дает
возможности рассчитать исходя из нее практически необходимые коэффициенты влияния влажности и температуры на прочность древесины при
изгибе.
Этой же проблеме посвящены работы Е.Н.Квасникова [68}. Он предложил обобщенную зависимость для прочности древесины, которая однако
не учитывает того факта, что детали из древесины практически никогда не
имеют влажности, равновесной с влажностью и температурой окружающей среды в виду наличия защитных покрытий и инерционности процессов сорбции и десорбции влаги.
На основании всех этих работ можно предположить, что температурный
коэффициент для различных пределов прочности и модуля упругости должен увеличиваться при увеличении влажности древесины. Тот факт, что
это не всегда обнаруживается в экспериментах, говорит о невысокой степени влияния.
1.4.3. Влияние скорости (времени испытания) на прочность и деформативность древесины
Замечено, что прочность самых различных материалов, в том числе и
древесины, довольно заметно зависит от скорости роста нагрузки в момент
испытания образца. Поэтому все стандарты на методы испытания регламентируют этот фактор. Поскольку при малых скоростях испытаний предел прочности снижается, то естественно, что существует некий предел
долговременного сопротивления, то есть то напряжение, которое данный
образец может выдержать в течение неограниченного времени эксплуатации. Это условие соответствует скорости приложения нагрузки равной нулю.
По данным Н.Л. Леонтьева [76] прочность древесины линейно зависит
от логарифма времени t действия нагрузки. Этот факт согласуется с кинетической концепцией прочности твердого тела, согласно которой можно
записать:
ln t  ln A  g ; где
U
A   0 exp( 0 ) и
RT
g

RT
где  - структурно – чувствительный коэффициент, R - газовая постоянная, Т – температура тела,  - напряжение.
Согласно данным Ю.М. Иванова [63] из опытов Н.Л. Леонтьева следует, что энергия активации разрушения U0 = 168 кдж/моль, что очень близко
к таковому показателю для целлюлозных волокон. Одновременно это говорит о том, что при разрушении древесины происходит разрыв химических связей полимерных цепей целлюлозы.
34
Эти зависимости дают лишь качественную картину явления. Для практических целей важно знать зависимости прочности от времени нагружения, а точнее коэффициент пропорциональности между снижением прочности и логарифмом времени действия нагрузки:
Kt 
1  2
lg t1  lg t 2
Есть данные [63], что при статическом изгибе может наблюдаться нелинейность функции (lg t), а именно снижение прочности при увеличении
скорости сверх некоторой величины. Этот эффект увеличивается при снижении влажности и увеличении высоты поперечного сечения образца. Авторы объясняют этот факт тем, что сжатая зона находится некоторое время
в нелинейной области деформирования, где развиваются высокоэластические напряжения и упругое ядро на остальной части сечения вызывает замедленное развитие этих деформаций, что влечет за собой релаксацию
напряжений. Эта релаксация затрудняется при высокой скорости нагружения, что и приводит к снижению наблюдаемого предела прочности.
W.Madsen [131] провёл испытания на изгиб сырых пиломатериалов породы him-fir сечением 50х150 мм на пролете 3,6 м по четырехточечной
схеме нагружения. Время нагружения менялось от 1 до 100 тысяч минут.
Замечено, что влияние скорости испытания сильнее проявляется для образцов высокой прочности, то есть имеющих высокую плотность. Аналогичные данные приводит A.de Bonis с соавторами [122]. При испытании
пиломатериалов южной сосны сечением 50х150 мм установлено, что скорость испытания оказывает большее влияние на более прочные доски.
Непосредственное отношение к данному вопросу имеют данные по
прочности древесины при ударных нагрузках, то есть при очень больших
скоростях нагружения. В стандартных испытаниях этот показатель не фиксируется, а определяется некоторая условная величина, называемая "ударной вязкостью" и измеряемая отношением работы, затраченной на излом, к
площади поперечного сечения образца.
В этой связи интересно предложение Соболева Ю.С. [101] рассчитывать
предел прочности при ударном изгибе, исходя из приближенной теории
удара. Согласно этой теории максимальная энергия, накопленная в образце
составляет
U
2
 max
W z2 l
6 EI z
где max - напряжение, Е - модуль упругости, Wz - момент сопротивления, Iz - момент инерции поперечного сечения образца, l - длина образца.
Для образца прямоугольного поперечного сечения получим выражение
U
2
 max
lbh
18 E
где bh - площадь поперечного сечения. Так как ударная вязкость
35
Aw = U/(bh), то
 max 
18 EAw
l
Из этой формулы следует, что, зная модуль упругости и ударную вязкость образца, можно рассчитать его предел прочности при ударном изгибе. Время, затраченное на рост напряжений от 0 до maх можно определить
по формуле
t

2
( m 1  m 2 )l 3
48 EI z
где m1 - масса ударяющего тела, m2 - масса образца, приведенная к точке
удара, кг.
Расчеты показывают, что скорость роста напряжений при ударе может
достигать очень больших значений - до 7200 МПа/с. Соответственно возрастает и фиксируемая прочность древесины. При этом функция  (lg t)
остается линейной, что показывает правомерность такого подхода к явлению удара. Здесь особенно ценна возможность расширить диапазон скоростей нагружения сразу на несколько порядков.
Таким образом, справедливость формулы Н.Л. Леонтьева подтверждается многими известными результатами, однако ее практическое использование встречает некоторые трудности. Поправочное число в этой формуле
отличается очень высокой изменчивостью - вариационный коэффициент
достигает 50- 60% [76]. По этим же данным следует, что этот коэффициент
не зависит от плотности древесины, хотя более поздние работы раскрывают влияние плотности на временную зависимость прочности древесины
[122, 131].
Можно полагать, что более стабильным является коэффициент относительного снижения прочности от времени нагрузки. Например, для сосны
при изгибе Л.М. Перелыгин [94] дает зависимость  1   2  K t (lg t 1  lg t 2 )
при коэффициенте Kt = 0,45 МПа. В подобных случаях более стабильной
величиной всегда является коэффициент изменения не абсолютной, а относительной прочности в зависимости вида  1   2 (1  K t lg t ) , где Kt коэффициент относительного изменения прочности при изменении времени испытания в 10 раз. Расчеты по данным [76, 104, 122] показали, что эту
величину ориентировочно можно считать равной для малых чистых образцов - 0,07- 0,08; для прочности при изгибе сырых пиломатериалов 0,0529; для модуля упругости при изгибе - 0,0636.
При исследовании влияния скорости испытания на результаты испытаний возникает еще один принципиальный вопрос. Под этим фактором
можно понимать скорость нагружения в МПа/с, либо скорость деформирования в 1/с. Можно полагать, что их влияние на механические показатели
совершенно идентично, как идентичными являются кривые релаксации
(снижение напряжений при постоянной деформации) и ползучести (увели36
чение деформации при постоянном напряжении). В наших стандартах указаны следующие скорости испытания при различных видах нагружения
(табл.1.21):
1.21. Скорости испытаний древесины, указанные в отечественных стандартах
Вид испытания
Образцы
Скорость нагружения, МПа/с
Растяжение
Малые
3,3  0,05
Отрезки п/м
0,15  0,05
Сжатие
Малые
1,0  0,25
Отрезки п/м
0,15  0,05
Скалывание
Малые
0,01  0,0025
Отрезки п/м
0,6  0,15
Изгиб
Малые
1,0  0,25
Отрезки п/м
Время испытания 2-5 мин
Кроме того, при испытании на изгиб малых образцов допускается использовать постоянную скорость движения активного захвата, или выбирать ее такой, чтобы общее время испытания находилось в пределах 1-2
мин. Скорость испытаний в МПа/с является наиболее желательной характеристикой, однако она не достижима на машинах с механическим приводом (которые в основном и имеются в заводских и специализированных
лабораториях). Эти машины позволяют назначать определенную скорость
движения активного захвата, например, в мм/с, но регламентировать этот
параметр не имеет смысла, так как он вносит в методику испытания неопределенность. Дело в том, что эта скорость не равна скорости деформирования из-за наличия неупругих деформаций в древесине. К тому же скорость роста напряжений очень сильно зависит от типа испытательной машины и используемой шкалы нагружения (то есть от жесткости силоизмерителя). Например, для случая изгиба по трехточечной схеме имеем
(см.[17])
V f  Vt  k *V p
где Vf - скорость увеличения прогиба, мм/с; Vt -скорость движения траверсы, мм/с; Vр - скорость роста нагрузки, Н/с, k – податливость силоизмерителя, мм/Н.
На практике возможен случай, когда вторым слагаемым можно пренебречь. Например, для испытательной машины Р-5 Ивановского объединения "Точприбор" максимальное перемещение верхнего захвата составляет
всего 1 мм. Следовательно, податливость силоизмерителя даже для первой
шкалы до 10 кН составит k = 10-4 мм/Н и при скорости Vt = 4 мм/мин
(0,066 мм/с) получим Vf = 0,066 - 0,001 мм/с. То есть, неучет податливости силоизмерителя вносит погрешность в определение скорости роста
прогиба всего в 1,5%.
Для перехода от величины Vf к скорости роста относительных деформаций в крайних зонах изгибаемого образца учтем, что
37
 изг 
3 Pl
2bh 2
;
E
Pl 3
4bh 3
Следовательно, относительная деформация и скорость ее роста составят

 изг
E

6hf
l2
;
V 
V f 6h
l2
При других видах испытаний пренебречь вторым слагаемым в формуле
расчета скорости ни в коем случае нельзя. При растяжении, сжатии и скалывании оба слагаемых оказываются примерно равными и поэтому характеристика силоизмерителя становится такой же важной в расчете скорости
роста деформаций, как и скорость движения траверсы.
Обобщая сказанное, отметим, что наилучшим параметром для характеристики скорости испытания следует признать общее время испытания,
что и предпринято в последних стандартах. При этом задаваемый интервал
времени может быть достаточно широк, так как влияние этого фактора
проявляется лишь в логарифмическом масштабе. Нам кажется удобным
рекомендовать в качестве универсальной величину время испытания в 1
минуту для всех видов испытаний и образцов любых размеров. При этом
имеем lg t = 0, что облегчает последующие расчеты.
1.4.4. Влияние наклона волокон на механические показатели древесины
Наклон волокон является очень существенным фактором по отношению
ко всем механическим характеристикам древесины в виду ярко выраженной ее анизотропии. Прочность и жесткость древесины вдоль волокон
примерно в 20-30 раз выше, чем поперек волокон.
Теоретически этот вопрос достаточно полно разобран в книге
Е.К.Ашкенази [1]. Древесина здесь считается ортотропным материалом, то
есть имеющим три оси симметрии - вдоль волокон (а), радиальное (r) и
тангенциальное (t). Для практических целей можно не делать различия
между направлениями r и t , то есть считать древесину транстропным материалом с двумя осями симметрии. Это позволяет значительно упростить
аналитические выражения в теории упругости анизотропного тела.
Согласно Е.К. Ашкенази и Э.В. Ганова [2] имеем
E
1

4
E0
(Cos )  b( Sin2 ) 2  c( Sin ) 4
где Е - модуль упругости древесины в направлении под углом  к направлению волокон; Е0 - тоже вдоль волокон; с = Е0/Е90 , где Е90 - модуль
упругости поперек волокон и b 
E0 1  c
, где Е45 - модуль упругости под

E 45
4
углом 450.
Совершенно аналогично выглядит зависимость для пределов прочности.
Следовательно, для расчета модуля упругости или предела прочности под
38
углом к направлению волокон нужно знать не менее трех параметров, а
именно показатели под углом 0, 45 и 900.
Эксперименты показывают, что прочность при сжатии поперек волокон
составляет всего 9-14% от прочности при сжатии вдоль волокон, а прочность при растяжении поперек волокон - всего 4-5% от прочности вдоль
волокон. Поэтому даже небольшой косослой способен заметно снизить
прочность деревянных деталей. При этом замечено, что анизотропия древесины значительно зависит от её влажности - с увеличением влажности
степень влияния наклона волокон на прочность снижается. Некоторые
справочные данные по анизотропии березы даны в табл.1.22 и на рис. 1.15.
Предел прочности,
МПа
Табл.1.22. Анизотропия прочности березы, по [1]
Вид
0
45
испытания
МПА
%
МПА
%
Сжатие
76,7
100
37,3
48,6
Растяжения
163,6
100
15,0
8,9
200
90
МПА
7,2
7,3
%
9,4
4,4
Рис.1.15..Влияние угла
наклона волокон на
прочность березы при
растяжении и сжатии
(согласно данных табл.
1.22)
150
100
50
0
0
15
30
45
60
75
90
Угол, град.
Согласно данным, приведенным в книге Kollmann`a [126, с.612], податливость древесины (величина обратная модулю упругости) зависит от угла
наклона волокон по формуле
1
1
1

(Cos ) n 
( Sin ) n
E
E0
E 90
В испытаниях на изгиб показатель степени n = 3. Аналогичные зависимости имеют место для пределов прочности древесины. Формулу можно
преобразовать к виду
 
 0 90
 0 ( Sin ) n   90 (Cos ) n
При определении предела прочности при растяжении показатель n составляет 1,5 - 2,0, при изгибе -2,0 и при сжатии - 2,5.
Согласно ГОСТ 8486 в досках третьего сорта допускается наклон волокон до 12%, то есть до 6,840. По имеющимся данным снижение прочности
при изгибе может составить до 20% по сравнению с прочностью прямослойной древесины.
39
1.4.5. Масштабный фактор
Масштабным фактором называют зависимость измеряемых характеристик материала от размеров испытанных образцов. Фактически все справочные данные по прочности и деформативности конструкционных материалов "привязаны" к конкретным размерам образцов. Их использование
для расчетов реальных, крупных изделий требует применения поправочных коэффициентов, учитывающих изменение масштаба рассматриваемых
объектов.
Масштабный фактор выражается в том, что с увеличением размеров образцов их механические показатели снижаются. Существуют несколько
гипотез, объясняющих это явление. Достаточно полный обзор их дан в
книге Ю.С.Соболева [99], который выполнил также значительный объём
экспериментальных работ по исследованию зависимости прочностных и
деформационных показателей древесины от масштабного фактора.
Наилучшее соответствие с экспериментальными данными показывает
статистическая теория масштабного фактора. Она связывает его с тем, что
в крупных образцах вероятность наиболее опасного дефекта выше, чем в
малых образцах. Вейбул предложил такую зависимость прочности материала от объёма образца

А
V 1/ n
где А - константа, зависящая от природы материала и вида нагружения образца и равная прочности идеального однородного материала без какихлибо дефектов, V - объём образца, n - постоянная, учитывающая неоднородность строения материала.
Анализируя богатый экспериментальный материал по исследованию
влияния размеров образцов на их прочность, Ю.С. Соболев указывает, что
очень часто опыты проводились без соблюдения геометрического, статистического и кинетического подобия. Однако мы должны заметить, что для
практических целей как правило приходится решать проблемы масштабного фактора с нарушением соотношения между размерами образцов и
уровня напряжений в них.
Работы Ю.С. Соболева показали, что при сжатии вдоль волокон и при
статическом изгибе четко выявляется влияние размеров образцов на прочность и модуль упругости. Зависимости описываются уравнениями вида у
=Ах-а , где х - площадь поперечного сечения образца.
40
Пригодность уравнения легко проверяется в логарифмических координатах, поскольку при логарифмировании получаем уравнение прямой
ln y = ln A - a lnx.
Результаты упомянутых экспериментов можно суммировать в следующей таблице.
1.23. Влияние размеров образцов на механические показатели древесины (по
Ю.С.Соболеву )
Показатель
Размеры образцов, мм
Константы уравнения
Индекс
Миним.
Максим.
снижения, %
А
а
20х20х30
120х120х180
51,3
0,0238
12,0
сж
20х20х300 120х120х1800
96,4
0,120
44,2
изг
20х20х300 120х120х1800
11,2
0,0336
12,2
Е
Из таблицы видно, что наиболее чувствительным по отношению к масштабному фактору является предел прочности древесины при статическом
изгибе. Увеличение размеров образцов значительно меньше сказывается на
модуле упругости при изгибе, из чего следует вывод о том, что уравнения
связи изг(Е) не могут быть одинаковыми для досок различных размеров.
Для прочностной сортировки пиломатериалов и расчета элементов деревянных конструкций необходимо знать ответ на вопрос: Как рассчитать
показатели прочности и деформативности досок при переменных длине,
ширине и толщине пиломатериалов, то есть в условиях нарушения всех
видов подобия?
Известен богатый экспериментальный материал по исследованию влияния размера изгибаемых образцов на их предел прочности. Этому посвящены опыты Е.И.Савкова, [97], Е.И. Светозаровой [98]. Illinen [124], ,
Nedball [132], Schneeweiss [137], Л.М. Перелыгина [94], Н.Л. Леонтьева
[95] и др. Анализ этих работ выявил неоднозначность выводов, сделанных
различными исследователями, что говорит о сложном характере влияния
масштабного фактора на измеряемые параметры. Это вполне естественно,
так как по сравнению с другими видами испытаний изгиб отличается неоднородным напряженным состоянием.
Ранее выполненные работы по этой проблеме касались изучения влияния на прочность, главным образом, двух факторов - расстояния между
опорами l и толщины образца h, а также их комбинации - отношение l/h,
так называемого "коэффициента формы". Анализ результатов выявил, что
все без исключения исследователи зафиксировали снижение прочности
образцов при изгибе при увеличении их толщины и постоянном пролете.
41
В этом пункте эксперимент в качественном отношении не расходится со
статистической теорией масштабного фактора. Однако в отношении другого размера единства не наблюдается. Увеличение расстояния между опорами при постоянной толщине образца согласно большинству известных
результатов влечет за собой увеличение предела прочности и модуля упругости, что на первый взгляд противоречит теории. Тем не менее, такие результаты отмечались неоднократно и независимо различными авторами.
Известны и прямо противоположные результаты. Ю.С. Соболев [99], изучая вариант нагружения образцов двумя моментами, установил снижение
прочности и модуля упругости при увеличении пролета со 130 до 240 мм
соответственно на 12 и 20%.
Дело в том, что при поперечном изгибе помимо влияния масштабного
фактора нужно считаться с влиянием поперечной силы на результаты
определения как предела прочности, так и модуля упругости при изгибе.
Например, при трехточечной схеме нагружения одной сосредоточенной
силой на пролете l модуль упругости образца прямоугольного сечения с
шириной b и толщиной h должен рассчитываться по формуле
Е
P l 3
E h2
(1  1,2
)
f 4bh 3
G l2
где G - модуль сдвига, Δf - приращение прогиба при приращениии нагрузки ΔР.
Сложность использования этой зависимости заключается в том, что отношение модуля упругости к модулю сдвига (E/G) является довольно неопределенной величиной. На малых пролетах влияние поперечной силы
очень существенно, поэтому сегодня признано, что расстояние между опорами должно быть не менее (18…20)h. В этом случае поправку на влияние
поперечной силы можно не делать
Вместе с тем, на практике часто приходится сталкиваться с тем фактом,
что испытания досок разной толщины выполняются на машине с постоянным пролетом. Поэтому необходимо знать поправочные коэффициенты,
которые бы учитывали изменение параметра (h2/l2). С этой целью нами
выполнян ряд экспериментов по исследованию влияния размеров образцов
на результаты определения показателей древесины при изгибе (глава 4).
42
1.4.6. Влияние структурных неоднородностей на механические характеристики древесины
В данном разделе речь пойдет, главным образом, о влиянии сучков на
прочностные и деформативные свойства древесины, так как сучки являются основным сортообразующим пороком пиломатериалов. Как следует из
кинетической концепции прочности, всякий материал является настолько
прочным, насколько он однороден по своему строению. Любая неоднородность на микро- или макроуровне порождает концентрацию напряжений в
твердом теле, находящемся под нагрузкой. Если дефекты микростроения в
силу своей многочисленности порождают общий "фон" снижения прочности в целом по объёму образца, то дефекты типа сучков, смоляных кармашков, прорости и т.д. вызывают локальные снижения прочности, так как
их размеры сопоставимы с размерами поперечного сечения пиломатериалов.
На первый взгляд, оценку влияния макродефекта типа сучка можно
осуществить путем исследования влияния параметров его на физикомеханические показатели образцов, а в последующем, измеряя эти параметры, в том числе автоматически, предсказывать снижение несущей способности материала. Однако такой прямолинейный подход практически
невозможен из-за очень большого разнообразия сучков и прочих дефектов
древесины. Например, сучок можно характеризовать такими параметрами
как степень срастания с древесиной, диаметр, эллипсность, углы наклона к
основным осям образца, расположение по ширине доски (выходит ли сучок на кромку) и пр. Каждый из этих факторов сложным образом влияет на
физико-механические показатели древесины, поэтому интегральная их
оценка нереальна для практики.
В Великобритании для визуальной сортировки пиломатериалов по
прочности разработан так называемый критерий KAR (knot area ratio) [6].
Он представляет собой относительную долю площади поперечного сечения доски, занятую сучком. Эксперименты показывают, что он имеет умеренную корреляцию с пределом прочности и может использоваться,
например, для разделения партии пиломатериалов на две категории качества. Однако этот критерий не может быть определен автоматически, то
есть годится только для ручной сортировки пиломатериалов, которая возможна только при малых объёмах производства.
43
Главным же является тот факт, что снижение прочности вызывается не
только сучком, но неизбежным его спутником - завитком (присучковым
косослоем). Поэтому площадь поперечного сечения, занятая сучком, является не единственным значимым параметром этого дефекта. Весьма желательным был бы параметр, связанный с искривлением волокон в зоне сучка и тесно коррелирующий с прочностью сортимента. То есть, можно допустить, что проблема оценки влияния структурных неоднородностей на
свойства пиломатериалов и заготовок тесно смыкается с проблемой влияния угла наклона волокон на все показатели древесины.
Влияние сучков на различные физико-механические показатели древесины исследовано достаточно широко. Теоретически этот вопрос рассмотрен в диссертации В.А. Варшавского [13], который в частности изучал
напряженно - деформированное состояние образцов с переменным модулем упругости. В работе Л.А. Губенко [56] теоретически и экспериментально исследованы свойства зон древесины с сучками методом конечных
элементов и с учетом криволинейной анизотропии. Здесь подтверждено,
что сучок нельзя интерпретировать отверстием без учета завитка. Криволинейность же волокон увеличивает размеры концентратора напряжений и
несколько сглаживает их неравномерность. Разрушение растягиваемых
элементов с сучками всегда происходит по завитку, поэтому его размер
оказывается более важным параметром, чем диаметр сучка. При выходе
сучка на кромку снижение прочности значительно больше, так как перерезанные волокна резко увеличивают опасность раскалывания древесины.
Влияние сучков на прочность пиломатериалов и заготовок изучалось
многими исследователями. Необходимо назвать Н.Л. Леонтьева [77], Е.И.
Савкова [97], Л.М. Перелыгина [91], а в наше время А.М. Боровикова [7],
Н.С. Житарева [60], Г.Н. Хабарову [111]. Суммируем сначала известные
данные по влиянию размера сучка на прочность образцов (отрезков досок)
при поперечном изгибе.
Различные исследователи брали в качестве основного параметра различные характеристики сучка. Наиболее распространенным является относительный размер сучка, замеряемый поперек оси сортимента, относимый к
ширине образца. Именно этот показатель присутствует во всех нормативных документах, определяющих качество пиломатериалов и заготовок. Из
данных Н.Л. Леонтьева по результатам испытаний на изгиб и сжатие
можно почерпнуть два факта:
44
 Снижение прочности при изгибе пропорционально относительному
размеру сучка
 Модуль упругости снижается при увеличении размера сучка, но в
меньшей степени, чем предел прочности.
Эти данные относятся к сучкам, находящимся в средней трети пролета
образца, испытываемого по 4-х точечной схеме. Сучки располагались как
на сжатой, так и на растянутой стороне изгибаемого образца. В этом случае мы имеем хорошее соответствие между замеряемым параметром сучка
и величиной завитка, оказывающего основное влияние на снижение прочности. Во всех других случаях, например, для сучков, выходящих на кромку, для сшивных, лапчатых сучков зависимость не имеет явного характера.
Этот факт побудил исследователей к поиску других параметров, характеризующих сучок или группу сучков. W. Cucera [118, 119] ввел параметр
Ak, рассчитываемый по формуле, которая учитывает размеры и положение
сучка. Экспериментально обнаружено, что этот параметр хорошо взаимосвязан с прочностью при изгибе сосновых и еловых образцов. Усредненное
уравнение связи имеет вид изг = 73,4 - 24,4 Ak при коэффициенте корреляции 0,8 - 0,96. Однако мы не видим технической возможности и целесообразности измерения нескольких параметров для каждого сучка, встречающегося в досках, подлежащих сортировке.
Расположение сучков на изгибаемом пролете Н.С. Житарев [60] предложил учитывать по формуле
М отн 
1  2z
l
где z - расстояние от сучка до середины пролета длиной l.
Для группы сучков введен размерно - типологический параметр
Sk 
Ai 1  2 z
*
2b
l
где А - размер сучка, b - ширина доски.
В соответствие с этим теоретическая прочность доски, ослабленной сучком, составит
a
(1  2 z )
 отн  1  b
l
Коэффициент корреляции между теоретической и фактической прочностью составил 0,83. Нетрудно видеть, что при расположении сучка в сере-
45
дине длины образца мы приходим к первому варианту - учету только относительного размера сучка.
Наконец, нужно назвать уже упомянутый показатель KAR - долю площади поперечного сечения, занятую сучком или сучками. Из чисто логических соображений видно, что он должен быть более тесно связан со снижением прочности пиломатериалов при изгибе, чем относительный размер
сучка, поскольку KAR характеризует поперечный размер сортимента, а относительный размер сучка - только наружную пласть, которая может быть
в растянутой или сжатой зоне. В зарубежной и отечественной практике
именно этот показатель служит основным критерием прочности при визуальной сортировке досок по прочности. Его взаимосвязь с прочностью
при изгибе невысока - коэффициент корреляции составляет 0,6 - 0,7, то
есть достоверность апроксимации R2 = 0.36 … 0.49. Зависимость близка к
линейной, но точнее может быть выражена показательной или логарифмической зависимостью [6].
Известен ряд работ, в которых изучалось влияние сучков на характеристики клееной древесины. В.И. Королев [71], К.К. Хохлов и др. [113] установили, что с увеличением слойности влияние сучков снижается. При изгибе хорошую корреляцию с пределами прочности показывает не только
относительный размер сучка (корреляция 0,815), но и относительная площадь сучка (0,837) и относительный момент инерции (0,830). Как видим,
новые параметры картины принципиально не меняют. Высокие коэффициенты корреляции здесь обусловлены применением в опытах одного типа
сучков, к тому же не выходящих на кромку сортимента. В частности, в работе [113] изучалась прочность на сжатие клееных образцов сосны размером 80 х 80 х 120 мм с сучками. В качестве параметра использована относительная площадь, занятая сучком в рабочем сечении, то есть фактор
KAR. Установлено, что зависимость прочности при сжатии от этого фактора определяется формулой
 сж  431 exp( 0 ,014 x )
при коэффициенте корреляции -0,97.
Вместе с тем, другие данные говорят об очень низкой взаимосвязи
прочности с размерами сучков. Например, в опытах S.W.Koch`а [128] с
образцами 50 х 100 мм из желтого тополя коэффициент корреляции составил всего 0,17- 0,27. По данным А.М. Боровикова [7], изучавшего значи-
46
мость сучков по Британскому стандарту DS4978 наивысший коэффициент
корреляции составляет всего 0,41.
Установлено, что большинство структурных неоднородностей, за исключением продольных трещин, снижают не только прочность, но и модуль упругости при изгибе. Наглядным подтверждением этому являются,
например, результаты наших опытов по замерам модуля упругости при
изгибе досок с сучками (рис.1.16). Испытаны сосновые доски толщиной 15
мм на пролете 360 мм при скорости деформирования 0,8 мм/с по трехточечной схеме изгиба. Прогибы замерены по времени нагружения в интервале нагрузок от 500 до 1000 Н с точностью 0,05 с с шагом измерений по
длине 50 мм.
Рис.43. Изменчивость модуля
упругости при изгибе по длине
досок с сучками
Графики четко показывают выявляемость сучков через модуль упругости при изгибе. Снижение модуля упругости примерно соответствует размеру сучков или группы сучков и достигает 44% от показателя чистой древесины. Наибольшее снижение наблюдается в зоне кромочного сучка. Эти
данные позволяют считать, что машинная сортировка, базирующаяся на
измерении модуля упругости, способна хорошо оценивать не только чистую древесину в пиломатериалах, но и учитывать крупные неоднородности типа сучков, так как сучки оказывают качественно одинаковое влияние
на снижение как предела прочности, так и модуля упругости при изгибе.
Однако в количественном отношении степень снижения неодинакова.
Как мы убедились в предыдущем разделе, наклон волокон в меньшей мере
снижает модуль упругости, чем предел прочности при изгибе. Это вполне
объяснимо, так как определение модуля упругости связано с очень малыми напряжениями в материале, при которых влияние дефектов проявляется
47
не в полной мере. Следовательно, уравнения связи между Е и изн существующие для чистой древесины, должны быть подвергнуты корректировке по отношению к реальным пиломатериалам.
1.5. О нормативах жесткости и прочности пиломатериалов
При разработке нормативов необходимо решать вопрос о количестве
сортов (категорий прочности) и их границах. Теоретическое расссмотрение
этих вопросов предпринято В.В. Огурцовым [84-90]. Его расчеты показали,
что при сортировке на две группы степень использования механических
свойств древесины повышается в сравнении с вариантом отсутствия сортировки на 10 - 20%, при сортировке на три группы КПИ увеличивается
еще на 5 - 6%, для 4-х групп - еще на 2%.
В рамках международной организации по стандартизации (ISO) в техническом комитете 165 с участием б.СССР были разработаны рекомендации
[93] по нормированию механических свойств хвойных пиломатериалов,
где за основной показатель взято нормативное (допускаемое) сопротивление пиломатериалов изгибу по кромке, что связано с весьма распространенным случаем использования конструкционных досок в качестве стропил в домах индивидуального пользования. При этом сочтено возможным
распространить эти рекомендации на все хвойные породы различных районов произрастания (табл.1.24).
1.24. Предложения ИСО/ТК165 по нормированию показателей для сортов конструкционных хвойных пиломатериалов
Сорт
Нормативное сопротивление, МПа, при
Модуль
изгибе
растяжении
сжатии скалывании упругости, ГПа
Т75
75
54
52
5,2
12,2
Т60
60
44
43
4,6
10,6
Т48
48
34
36
4,0
9,3
Т38
38
26
30
3,5
8,1
Т30
30
20
25
3,0
7,0
Т24
24
15,5
21
2,6
6,1
Т19
19
11,8
17,5
2,3
5,3
Т15
15
9,1
14,5
2,0
4,6
Т12
12
7
12
1,7
4
Т10
9,5
5,4
10
1,5
3,5
Т8
7,5
4,1
8,4
1,3
3
Т6
6
3,2
7
1,1
2,6
Т5
5
2,6
5,8
1
2,3
Наши расчеты дали следующие результаты (модуль упругости выражен
в ГПа, а прочность - в МПа):
48
-нормативное значение прочности при изгибе  изг  1,25 Е 1,634
-нормативное значение прочности при растяжении  р  0,544 Е 1,849
-нормативное
значение
прочности
при
сжатии
вдоль
волокон
 сж  1,98 Е 1,3
-нормативное сопротивление скалыванию вдоль волокон   0,43 Е .
С декабря 1995 года введен в действие европейский стандарт EN 338
"Конструкционные лесоматериалы. Классы прочности" [139], разработанный Европейским Комитетом по стандартизации (CEN). Членами этого
комитета являются национальные органы по стандартизации 19 европейских государств. EN 338 разработан в техническом комитете ТК 124, секретариат которого ведет Дания. Все принятые европейские стандарты
применяются в качестве национальных без каких-либо изменений. Для
российских производителей и экспортеров пиломатериалов внедрение этого стандарта в практику является мощным средством повысить эффективность своей деятельности и получить дополнительные возможности на европейском рынке пиломатериалов. По последним данным TRADA ("Timber research and developments association") доля конструкционных пиломатериалов в общем объёме их производства составила в 1999 году 50%. Поэтому данный европейский стандарт мы вправе считать наиболее значимым документом в деле нормирования показателей конструкционных пиломатериалов. В табл.1.25 и 1.26 даны характеристики пиломатериалов
различных классов прочности согласно EN338.
В этих таблицах приняты следующие обозначения:
 σизг - предел прочности при изгибе на кромку пиломатериалов высотой сечения 150 мм при влажности древесины 12%;
 σр - предел прочности пиломатериалов при продольном растяжении;
 σр90 - предел прочности пиломатериалов при поперечном растяжении;
 σсж - предел прочности пиломатериалов при продольном сжатии;
 σсж90 - предел прочности пиломатериалов при поперечном сжатии;
 τ - предел прочности пиломатериалов при скалывании вдоль волокон
(Все показатели прочности указаны на уровне 5%-ной доверительной вероятности).
 Еср - средний модуль упругости, определенный по 4-х точечной схеме в
49





зоне чистого изгиба для пиломатериалов с высотой сечения 150 мм при
влажности древесины 12%;
Е0,05 - тоже на уровне 5%-ной доверительной вероятности;
Еср90 - модуль упругости пиломатериалов при поперечном деформировании
Gср - средний модуль сдвига;
ρ12 - плотность древесины при влажности 12%
ρср12 - средняя плотность древесины при влажности 12%.
1.25. Показатели конструкционных паиломатериалов различных классов прочности (тополь и хвойные породы)
Показатель
С14
С16
С18
С22
С24
С27
С30
С35
С40
Показатели прочности в МПа
σизг
14
16
18
22
24
27
30
35
40
σр
8
10
11
13
14
16
18
21
24
σр90
0,3
0,3
0,3
0,3
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
σсж
16
17
18
20
21
22
23
25
26
σсж90
4,3
4,6
4,8
5,1
5,3
5,6
5,7
6,0
6,3
τ
1,7
1,8
2,0
2,4
2,5
2,8
3,0
3,4
3,8
Показатели жесткости в ГПа
Еср
7
8
9
10
11
12
12
13
14
Е0,05
4,7
5,4
6,0
6,7
7,4
8,0
8,0
8,7
9,4
Еср90
0,23
0,27
0,30
0,33
0,37
0,40
0,40
0,43
0,47
Gср
0,44
0,50
0,56
0,63
0,69
0,75
0,75
0,81
0,88
Показатели плотности, кг/м3
ρ12
290
310
320
340
350
370
380
400
420
ρср12
350
370
380
410
420
450
460
480
500
1.26. Показатели конструкционных паиломатериалов различных классов прочности (лиственные породы) по EN 338
Показатель
D30
D35
D40
D50
D60
D70
Показатели прочности в МПа
σизг
30
35
40
50
60
70
σр
18
21
24
30
36
42
σр90
0,6
0,6
0,6
0,6
0,7
0,7
σсж
23
25
26
29
32
34
σсж90
8,0
8,4
8,8
9,7
10,5
13,5
τ
3,0
3,4
3,8
4,6
5,3
6,0
Показатели жесткости в ГПа
Еср
10
10
11
14
17
20
Е0,05
8,0
8,7
9,4
11,8
14,3
16,8
Еср90
0,64
0,69
0,75
0,93
1,13
1,33
Gср
0,60
0,65
0,70
0,88
1,06
1,25
Плотность в кг/м3
ρ12
530
560
590
650
700
900
ρср12
640
670
700
780
840
1080
50
Наши расчеты дали следующие зависимости пределов прочности от
модуля упругости при изгибе, замеренного в зоне чистого изгиба:
при изгибе  изг  1,23 Е 1,52
при растяжении вдоль волокон  р  1,3 Е 0,634
при сжатии вдоль волокон  сж  0,118 Е 1,35
при скалывании вдоль волокон   3,31Е 0,81
Существенное отличие этих уравнений от указанных выше для стандарта ИСО происходит, на наш взгляд, от различий в методике определения
модуля упругости.
В наших технических условиях ТУ 13-844-85 "Доски конструкционные
хвойных пород. Технические условия на продукцию, поставляемую на
экспорт", разработанных ЦНИИМОД с учетом стандартов, рекомендованных Европейской Экономической Комиссией, предусмотрены три класса
прочности М10, М8, М6 для цельных досок и FM10, FM8, FM6 для досок
с зубчатыми клеевыми соединениями. Нормативные показатели для этих
сортов указаны в табл. 1.25.
1.25. Нормативные показатели конструкционных досок согласно ТУ 13-844-85
Класс
прочности
М10, FM10
М8, FM8
М6, FM6
Нормативное сопротивление , МПа
изгибу
растяжению сжатию
30,0
20,0
25,0
24,0
15,5
21,0
19,0
11,8
17,5
скалыванию
3,0
2,6
2,3
Модуль
упругости, МПа
7 000
6 100
5 300
Эти нормативы установлены для досок толщиной 38-50 мм и шириной
100-200 мм для влажности древесины 10-14%. Нормативный показатель
для изгиба касается случая изгиба досок по кромке. В другом документе ТУ 13-722-83 "Доски конструкционные. Технические условия", распространяющиеся на конструкционные хвойные и лиственные пиломатериалы
для строительных конструкций, автостроения и вагоностроения, предусмотрены два сорта К24 и К19 со следующими нормативными показателями (табл.1.26). Эти показатели установлены для древесины с влажностью
10-14% и касаются сосны, ели, пихты, лиственницы, березы, осины различных районов произрастания. Дополнительный показатель для изгиба по
пласти досок введен в связи с тем, что для условий вагоно- и автостроения
более типична работа деревянных элементов на изгиб по пласти.
51
1.26. Показатели механических свойств конструкционных п/м по ТУ 13-722-83,
МПа.
Показатель
сорт К24
сорт К19
Предел прочности при изгибе по кромке
24
19
Предел прочности при изгибе по пласти
27
21
Предел прочности при растяжении
14
10
Предел прочности при сжатии вдоль волокон
22
19
Сопротивление скалыванию вдоль волокон
2,6
2,3
Модуль упругости при изгибе
6200
5300
Сравнение с предыдущей таблицей показывает, что сорт К24 в основном
соответствует классу прочности М8, а сорт К19 - классу прочности М6.
(Согласно рекомендациям ИСО - это сорта Т24 и Т19 соответственно).
Представляют интерес нормативы для конструкционных досок, предназначенных для деталей клееных деревянных конструкций (ТУ 13-858-85).
Здесь указан предел прочности при изгибе по пласти досок толщиной 25 и
40 мм для трех сортов (табл.1.18)
1.18. Нормативные показатели для конструкционгых досок для слоев клееных деревянных конструкций
Сорт
Нормативное сопротивление, МПа, при
Модуль
изгибе
растяжении
сжатии
скалывании
упругости
КС40
40
26
30
3,5
8100
КС30
30
20
25
3,0
7000
КС24
24
15,5
21
2,6
6100
Обратим внимание на то, что указанные нормативные документы охватывают совокупность всех хвойных пород, а ТУ-13-722-83 - также и лиственных пород, то есть подразумевается, что уравнения связи между показателями примерно одинаковы для различных пород. Вместе с тем, в приложении к ГОСТ 21554.3-82 даны уравнения связи между модулем упругости и пределом прочности при изгибе, дифференцированные по породам, районам произрастания и сечению досок. Поэтому мы считаем, что
вопрос о правомерности объединения древесных пород в одну совокупность остается открытым. Другая особенность указанных нормативов заключается в том, что главным показателем для конструкционных досок
назван вероятный предел прочности при изгибе досок по кромке. Однако
он прогнозируется по модулю упругости при изгибе доски по пласти. Вряд
ли такое положение можно считать нормальным, так как оно не способствует высокой точности прогнозирования предела прочности.
52
Выводы по главе 1
1. К недостаткам существующих
методов испытания малых образцов и пиломатериалов нужно отнести тот факт, что в нашей стране
стандартизованы различные схемы
определения модуля упругости и
предела прочности при изгибе. Это
препятствует изучению взаимосвязи между этими двумя показателями.
2. В отечественной практике при
испытании малых чистых образцов
базовое сечение их составляет 20 х
20 мм2, а в практике США и других
стран - 51 х 51 мм2. Это не позволяет проводить непосредственное
сравнение баз данных по показателям прочности древесных пород,
произрастающих в России и США,
без учета масштабного фактора.
3.Статистический анализ массивов
данных по показателям малых чистых образцов показал, что все
статистические ряды подчиняются
закону нормального распределения. Наименьшую изменчивость в
пределах группы пород (лиственные, хвойные, тропические) показывает плотность древесины (вариационный коэффициент 1518%), наибольшую - боковая твердость (вариац. коэффициент до
Conclusions under chapter 1
1. To disadvantage of existing test
methods of small specimens and sawtimbers it is necessary to attribute,
that in our country various schemes
for definition of the module of elasticity and module of bending rupture
are standardized. It hinder the studying of correlation between these two
parameters
2. In domestic practice by testing of
small clean specimens the base section of them are 20 х 20 мм2, and in
practice of USA and other countries 51 х 51 мм2. It does not allow to
make a direct comparison of databases on strength parameters of the
wood species growing in Russia and
USA, without taking into account the
size factor.
3. The statistical analysis of small
clean specimens parameters has
shown, that all statistical array submit
to the law of normal distribution. The
least variability within the limits of
group of wood species (deciduous, coniferous, tropical) has the density (coefficient of variation is 15-18 %), the
greatest - lateral hardness (coefficient
of variation up to 65 %).
53
65%).
4. Сравнение средних величин по4. Comparison of average has shown,
казало, что по плотности отечеthat domestic species exceed species of
ственные породы превосходят поUSA and Canada in density - coniferроды США и Канады - хвойные на
ous on 21,8 %. deciduous - on 13,7 %.
21,8%. лиственные - на 13,7%, что
That can be explained by more severe
может быть объяснено более суро- climatic conditions of Russia and espeвыми климатическими условиями
cially Siberia.
России и, особенно Сибири.
5. Анализ данных по показателям 5. The analysis of timbers strength paпрочности пиломатериалов показал, rameters has shown, that visual gradчто визуальная сортировка досок по ing of boards according exterior is not
внешнему виду не является сортиsorting according strength as within
ровкой по прочности, так как в преthe limits of one grade there are
делах одного сорта встречаются boards of very different property. For
доски очень разной прочности. Поconstructional timbers there are only
этому для конструкционных пилоone way of grading - the continuous
материалов приемлем только один
control of timber strength with using
путь сортирования - сплошной конof the parameter determined by not
троль прочности с использованием
destroying way.
какого либо оценочного показателя,
определяемого
неразрушающим
способом.
6. Прочность пиломатериалов при
6.Tension strength of timbers in 2-4
продольном растяжении в 2-4 раза times is lower, than such parameter of
ниже, чем прочность малых чистых
small clean specimens. Compression
образцов. Прочность при сжатии отstrength of timber pieces with defect
резков пиломатериалов с допускае- admitted for the given grade approxiмым для данного сорта пороком
mately is twice less, than by small
примерно вдвое меньше, чем у ма- clean specimens and on 15-50 % have
лых чистых образцов и на 15-50%
less, than at the same sample without
меньше, чем у такого же образца без defects. Hence, defects wood (knots) in
пороков. Следовательно, пороки
much smaller degree reduce
древесины (сучки) в гораздо мень- compression strength, rather than at a
шей степени снижают прочность tension. Shear strength along fibres of
при сжатии, нежели при растяжеsamples from coniferous saw-timbers
54
нии. Прочность при скалывании
вдоль волокон образцов из хвойных
пиломатериалов примерно в два раза ниже, чем у малых образцов.
7. Прочность хвойных пиломатериалов при изгибе колеблется в пределах от 20 до 60 МПа, что примерно
вдвое ниже, чем для малых чистых
образцов. Модуль упругости пиломатериалов из сосны и ели изменяется в пределах от 6 до 10 ГПа.
8. Проанализированы известные результаты по влиянию влажности
древесины на ее показатели. Установлено, что есть некоторые отличия в зависимостях от влажности
пределов прочности при растяжении, сжатии и изгибе чистой древесины. В основу расчета пересчетных
коэффициентов на влажность в
наших стандартах и справочниках
положена зависимость, действительная в диапазоне влажности от 5
до 30%. Пересчетные коэффициенты дифференцированы как по группам пород, так и по плотности древесины, хотя последнее не подтверждено экспериментально. Для пиломатериалов влияние влажности на
прочность выражено менее сильно,
чем для чистой древесины.
9. Влияние температуры на прочность может быть выражено уравнением прямой с коэффициентом
0,3%/ 0С для пределов прочности
при растяжении, изгибе, сжатии и
approximately is twice lower, than at
small specimens.
7.Bending strength of coniferous timbers changes in limits from 20 up to 60
MPa, that is approximately twice lower, than for small clean specimens. The
E-module of pine and fir timbers
changes in limits from 6 up to 10 GPa.
8. Known results on research of influence of wood moisture on its parameters are analysed. It is established, that
there are some differences for moisture
factor on tension, compression and
bending strength of clean wood. Dependence is put in a basis of calculation scaling coefficient on humidity in
our standards and directories, valid in
a range of humidity from 5 up to 30 %.
Пересчетные factors дифференцированы both on groups of breeds, and
on density of wood though the last is
not confirmed experimentally. For
saw-timbers influence of humidity on
durability is expressed less strongly,
than for clean wood.
9. Influence of temperature on durability can be expressed by the equation of
a straight line with factor 0,3 %/0С for
strength at a stretching, a bend, compression and скалывании and 0,15
55
скалывании и 0,15%/ 0С - для модуля упругости при изгибе.
10. Влияние скорости испытания на
пределы прочности древесины может быть выражено уравнением логарифмической прямой у= у0 (1-Kt *
lg t ), где время испытания t выражено в минутах, а коэффициент Kt
составляет 0,07-0,08 для малых чистых образцов и 0,05-0,06 - для
прочности досок при изгибе. Рекомендуется принимать общее время
испытания образцов до разрушения
в пределах 1 минуты.
11. Для учета влияния наклона волокон на показатели древесины используются зависимости, которые
требуют знания не менее двух показателей древесины (вдоль и поперек
волокон), что затрудняет их практическое применение. По предварительным оценкам допускаемый
наклон волокон в пиломатериалах
способен снизить их прочность при
изгибе на 20% по сравнению с
прочностью прямослойной древесины.
12. Влияние размеров образцов на
показатели древесины хорошо подчиняется статистической теории
масштабного фактора. При изгибе
помимо объёма образца необходимо
учитывать и факторы, связанные с
влиянием поперечной силы на результаты испытания.
56
%/0С - for the module of elasticity at a
bend
10. Influence of speed of test on
strength of wood can be expressed by
the equation of a logarithmic straight
line y = у0 (1-Kt * lg t) where time of
test t is expressed in minutes, and factor Kt makes 0,07-0,08 for small
pure(clean) samples and 0,05-0,06 for durability of boards at a bend. It is
recommended to accept general(common) time of test of samples
before destruction within the limits of 1
minute
11. For the account of influence of an
inclination of fibres on parameters of
wood dependences which demand
knowledge not less than two parameters of wood (up and down fibres) are
used, that complicates their practical
application. On tentative estimations
the admitted inclination of fibres in
saw-timbers is capable to lower their
durability at a bend on 20 % in comparison with durability прямослойной
wood
12. Influence of the sizes of samples on
parameters of wood well submits to the
statistical theory of the scale factor. At
a bend besides volume of a sample it is
necessary to take into account and the
factors connected to influence of cross
force on results of test.
13. Влияние структурных неодно- 13. Influence structural неоднороднородностей на прочность и упругость
стей on durability and elasticity of
пиломатериалов не может быть опиsaw-timbers can not be described by
сана какой-либо практически важ- any practically important dependence.
ной зависимостью. Влияние сучков
Influence of knots can be appreciated
может быть оценено только по сниonly on decrease(reduction) of the
жению модуля упругости на данном module of elasticity on the given site of
участке доски, хотя при этом нужно
a board though thus it is necessary to
иметь в виду, что большинство фак- mean, that the majority of factors renторов оказывают более сильное вли- der stronger influence on strength, raяние на пределы прочности, нежели ther than on the module of elasticity at
на модуль упругости при изгибе.
a bend.
14. В основу разделения конструк14. Recommendations of the internaционных хвойных пиломатериалов tional organization for standardization
по сортам положены рекомендации
are put in a basis of division of conмеждународной организации по structional coniferous saw-timbers on
стандартизации (ISO, технический grades (ISO, technical committee 165).
комитет 165). Сорт оценивается по
The grade is estimated on normative
нормативному сопротивлению при
resistance at a bend of a board on an
изгибе доски на кромку, которое в edge which is in turn predicted on the
свою очередь прогнозируется по
module of elasticity at a bend of a
модулю упругости при изгибе доски
board on пласти.
по пласти.
57