1. Особенности древесины как конструкционного материала

Физические свойства:

1) плотность; зависит от количества пустот, толщины стенок волокон и содержания влаги (сосна и ель – 5 кН/м3, береза 6 кН/м3) 2) температурное расширение – линейное расширение при нагревании, характеризуемое коэффициентом линейного расширения в древесине различно вдоль волокон под углом к ним. Коэффициент в 2-3 раза меньше чем у стали 3) теплопроводность – вследствие пористого строения древесина плохо проводит тепло.Теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Механические свойства древесины, являющейся природным полимером, изучаются на основе реологии – науки об изменении свойств вещества во времени под действием тех или иных факторов, в данном случае нагрузок. 2 реологических свойства: ползучесть – свойство материала дополнительно деформироваться с течением времени при постоянной нагрузке; релаксация – уменьшение напряжений с течением времени. Различные механические свойства материалов при различном направлении усилия к волокнам называется анизотропией и обусловлено трубчатым строением древесины.. Для древесины в инженерных расчетах принята транстропная модель анизотропии, которая предполагает различные механические и упругие свойства только в двух направлениях (вдоль и поперек волокон). Свойства в тангенциальном и радиальном направлении практически одинаковы. При растяжении вдоль волокон и поперек волокон характер разрушения хрупкий, что является опасным. При смятии прочностные характеристики практически не отличаются от сжатия. Скалывание вдоль волокон является одним из слабых мест в работе древесины. см=0,5…0,6 кН/см2; характеризуется хрупким разрушением. Прочностные характеристики зависят от породы древесины, от времени действия нагрузки, от размеров поперечного сечения, от конфигурации элемента. Это все учитывается коэффициентом условия работы.

2. Макроструктура древесины хвойных пород

3.Пороки древесины и их влияние на мех св-ва

Пороками древесины называют изменения ее внешнего вида, нарушение целостности тканей и клеточных оболочек, правильности ее строения и повреждения, понижающие качество древесины и ограничивающие возможности ее применения.

Дефекты — пороки древесины механического происхождения, возникающие в ней в процессе заготовки, транспортирования, сортировки и механической обработки.

Влияние порока на качество древесины зависит от его вида, размера, расположения в материале и назначения материала. Он снижает прочность и декоративность лесоматериалов, поэтому сортность древесины определяют с обязательным учетом имеющихся в ней пороков.

Согласно ГОСТ 2140-81 «Пороки древесины. Классификация, термины и определения» все пороки подразделяются на группы: сучки, трещины, грибные повреждения, химические окраски, пороки формы ствола и строения древесины, повреждения насекомыми, инородные включения и дефекты обработки.

Сучки — наиболее распространенный и неизбежный порок древесины, которые представляют собой основания ветвей, заключенные в древесину ствола. По степени зарастания сучки бывают открытые и заросшие.

Метиковые трещины — радиально направленные трещины в ядре, отходящие от сердцевины, не доходящие до коры и имеющие значительную протяженность по длине сортимента. Протяженность мети-ковой трещины может быть более 10 м. В зависимости от расположения в круглых сортиментах подразделяются на простые и сложные. Простая метиковая трещина — одна или две трещины, направленные по одному диаметру и проходящие в одной плоскости по длине сортимента. Две или несколько трещин, расположенные на торце под углом друг к другу, а также одна или две трещины, направленные по одному диаметру, но располагающиеся по длине сортимента в разных плоскостях, — это сложная метиковая трещина.

Отлупная трещина — трещина между годичными слоями, возникающая в ядре или спелой древесине. Формируются в растущем дереве, имеют короткую протяженность по высоте ствола и снаружи не видны.

Морозная трещина — наружные продольные разрезы древесины стволов растущих деревьев. Распространяется вглубь ствола по радиальным направлениям (чаще в комлевой части).

Пороки формы ствола выражаются в различных отклонениях от нормальной формы ствола и формируются в период роста дерева. Кним относят сбежистость, закомелистость, наросты, кривизну, овальность.

Сбежистость представляет собой постепенное уменьшение толщины лесоматериалов или ширины необрезных пиломатериалов на всем их протяжении. Если на каждый метр высоты ствола (длины сортимента) диаметр уменьшается более чем на 1 см, такое явление расценивается как порок. Стволы хвойных пород менее сбежисты, чем лиственные.

Закомелистость — резкое увеличение диаметра комлевой части лесоматериалов и ширины пилопродукции. Сбежистость и закомелистость затрудняют применение лесоматериалов по назначению, увеличивают количество отходов при их распиливании и лущении, раскрое пиломатериалов, обуславливают появление радиального наклона волокон.

Наросты и кривизна часто встречаются на всех породах, особенно на лиственных, затрудняют применение лесоматериалов по назначению и осложняют их переработку. Наросты — местные утолщения ствола, бывают с гладкой поверхностью и правильным строением древесины, а также с неровной поверхностью и свилеваты

строением древесины, которые называются капами. Кривизна — искривление ствола по длине. Различают простую и сложную кривизну, которая характеризуется соответственно одним или несколькими изгибами сортимента.

К порокам строения древесины относят наклон волокон, крень, свилеватость и др.

Наклон волокон (косослой) — отклонение волокон от продольной оси сортимента, приводит к повышенной усушке и короблению. Наклон волокон затрудняет механическую обработку древесины, понижает способность к загибу, а также прочность пиломатериалов при растяжении вдоль волокон и изгибе.

Крень — местное изменение строения древесины хвойных пород. Выражается в кажущемся увеличении ширины поздней зоны годичных слоев. Образуется в сжатой зоне изогнутых или наклонных стволов. Крень повышает твердость древесины и ее прочность при сжатии и статическом изгибе; снижает прочность при растяжении; увеличивает усушку вдоль волокон, вызывая растрескивание и продольное коробление пилопродукции; уменьшает водопоглощение древесины и этим затрудняет ее пропитывание, а также ухудшает внешний вид.

Тяговая древесина наблюдается на торцах в виде дугообразных участков, на радиальных поверхностях — в виде узких полос (тяжей). Она повышает прочность древесины при растяжении вдоль волокон и статическом изгибе, повышает усушку во всех направлениях, особенно вдоль волокон, что способствует появлению коробления и трещин, затрудняет обработку, приводя к образованию ворсистости и мшистости поверхности.

Свилеватость — искривление волокон. Снижает прочность древесины при растяжении, сжатии и изгибе, повышает прочность при раскалывании и скалывании в продольном направлении, затрудняет фрезерование древесины.

Завиток встречается в виде частично перерезанных, скобкооб-разно изогнутых контуров, образованных искривленными годичными слоями. Различают односторонний и сквозной завиток. Снижает прочность древесины при сжатии и растяжении вдоль волокон, а также ударную вязкость при изгибе. Прочность материала заметно снижается при расположении завитков в растянутой зоне опасного сечения. Смоляной кармашек встречается в древесине хвойных пород; может быть односторонним и сквозным, снижает прочность древесины. Вытекающая из смоляных кармашков смола портит поверхность изделий и препятствует их лицевой отделке и склеиванию.

Прорость — частично или полностью заросшая на стволе кора или омертвевшая в результате повреждения древесина; возникает в растущем дереве при зарастании нанесенных ему повреждений и сопровождается развитием засмолка, грибных ядровых пятен и полос ядровой гнили. Нарушает целостность древесины и сопровождается искривлением прилегающих годичных слоев. Прорость бывает открытой и закрытой.

Засмолок — встречается в древесине только хвойных пород. Он существенно не влияет на механические свойства, однако заметно снижает ударную вязкость при изгибе, уменьшает водопроницаемость, затрудняет лицевую отделку и склеивание.

Ложное ядро — темноокрашенная внутренняя часть ствола лиственных безъядровых пород. По форме поперечного сечения может быть округлым, звездчатым и лопастным. Этот порок портит внешний вид, отличается плохой проницаемостью, пониженной прочностью при растяжении вдоль волокон и хрупкостью. У березы ложное ядро легко растрескивается.

Водослой — бывает в виде мокрых, темных пятен различной формы и величины, является причиной растрескивания снижает ударную вязкость и сопровождается гнилью.

Химические окраски в большинстве случаев — следствие окисления содержащихся в древесине дубильных веществ. К ним относятся: продубина, дубильные потеки, желтизна, которые не влияют на физико-механические свойства древесины, а при интенсивной окраске ухудшают внешний вид материалов.

Грибные поражения в древесине возникают при развитии в ней грибов, которые подразделяются на деревоокрашивающие и дерево-разрушающие.

На древесине грибы развиваются при определенной влажности (оптимальная — 40—60%) и температуре (оптимальная — 20—30 °С).

Ядровая гниль — участки ненормальной окраски ядра, которые по цвету и характеру разрушения подразделяются на пеструю ситовую, бурую трещиноватую и белую волокнистую ядровую гниль. Этот порок существенно влияет на механические свойства материала. В зависимости от размеров поражения древесины гнилью ее сортность снижается вплоть до полной непригодности.

Плесень представляет собой отдельные пятна или сплошной налет зеленого, голубого, черного или другого цвета. На механические свойства древесина она не влияет, но ухудшает ее внешний вид.

. Побурение 

Заболонная гниль , Трухлявая наружная гниль 

,Червоточина в зависимости от глубины проникновения может быть поверхностной (не влияет на механические свойства), неглубокой и глубокой (нарушают целостность древесины и снижают механические свойства). Червоточины способствуют проникновению грибов и развитию гнили.

4. Влажность древесины, её влияние на прочность и деформативность. Различают два вида влаги, содержащейся в древесине: связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную). Связанная влага находится в толще клеточных оболочек, а свободная в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Кроме свободной и связанной влаги различают влагу, входящую в химический состав веществ, которые образуют древесину (химически связанная влага). Эта влага имеет значение только при химиче­ской переработке древесины. Максимальное количество связанной влаги называется пределом гигроскопичности или пределом насыщения клеточных стенок и составляет 30 %. Устойчивая гигроскопическая влажность древесины, соответствующая определенному сочетанию температуры и влажности воздуха, назы­вается равновесной влажностью древесины. Изменение влажности древе­сины от предела гигроскопичности и выше может произойти только по ме­ре заполнения свободной влагой полостей клеток. При изменении влажнос­ти древесины от 0 % до предела насыщения клеточных стенок объем древе­сины увеличивается (разбухает), а снижение влажности в этих пределах уменьшает его размеры (усушка). Чем плотнее древесина, тем больше ее разбухание и усушка. Соответственно различны разбухание и усушка у по­здней, более плотной, и у ранней древесины.

Установлено, что линейная усушка вдоль волокон в радиальном и тангенциальном направлениях существенно различается. Усушка вдоль во­локон древесины обычно так мала, что ею пренебрегают, усушка в радиальном направлении колеблется в пределах 2...8,5 %, а в тангенциальном на­правлении 2,2... 14 %. Следствием такой неравномерности усушки является коробление досок при высыхании (рис.). При увеличении влажности свыше точки насыщения клеточных стенок, когда влага занимает полоски клеток древесины, дальнейшего разбухания не происходит. Процесс высыхания древесины состоит из испарения влаги с по­верхности и перемещения ее из внутренних, более влажных слоев, к наруж­ным. Испарение влаги с поверхности древесины происходит быстрее, чем продвижение влаги изнутри к периферии, что обуславливает неравномер­ность распределения влажности; в тонких пиломатериалах эта неравномер­ность обычно невелика и быстро уменьшается; в толстых элементах влаж­ность выравнивается медленно и неравномерность ее распределения в нача­ле высыхания может быть значительной. Чем выше плотность древесины, тем меньше скорость высыхания. Влагопроводность в радиальном направ­лении несколько больше, чем в тангенциальном, что объясняется влиянием сердцевинных лучей. Установлено, что в хвойных породах между радиальной и тангенциальной усушкой древесины поздней зоны годичных слоев существует небольшое различие, а тангенциальная усушка ранней зоны в 2-3 раза превосходит радиальную. Свежесрубленная древесина соержит80..100% влаги, причем влажность заболони хвойных пород в 2-3 раза больше влажности ядра. влажность сплавной древесины доходит до 200%. Конечная влажность древесины должна соответствовать ее равновесной влажности в условиях эксплуатации.

////Структура древесины, ее влияние на прочность и деформативность мат-ла. Деревянные строительные конструкции в основном изготавливают­ся из древесины хвойных пород (сосна, ель, лиственница). На поперечном сечении ствола дерева различают следующие части рис.: под корой расположен тонкий слой камбия, отлагающего древе­сину и работающего с различной интенсивностью, так как деятельность его зависит и от внешних условий. В растущем дереве камбий обусловливает прирост древесины и коры. В центре сечения ствола расположена сердцеви­на, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диаметром 2-5 мм. Вся основная древесина, расположенная между тоненьким слоем камбия и сердцевиной, состоит из двух частей, немного отличающихся од­ни от других цветовыми оттенками - внутренняя зона, более темная, называется ядром, а более светлая – заболонью. На поперечном сечении ствола можно увидеть концентрические слои, окружающие сердцевину. Древесина состоит из клеток двух видов - прозенхимных и паренхимных. Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. К прозенхимным клеткам относятся трахеиды - полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Основными элементами древесины хвойных пород являются трахеиды, которые занимают свыше 90 % общего объема древесины. Паренхимные клетки в хвойной древесине входят в состав сердце­винных лучей. В растущем дереве по сердцевинным лучам происходит движение питательных веществ и воды в горизонтальном направлении в пери­од вегетации, а в период покоя в них хранятся запасные питательные веще­ства. Трахеиды хвойных пород выполняют не только свойственные им проводящие функции, но и механические. Трахеиды ранней части годично­го слоя обладают тонкими стенками и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки и малые полости. На основе современных исследований установлено, что стенки кле­ток трахеид представляют собой слоистую оболочку. В стенке каждой нормальной трахеиды различают: тонкую первичную оболочку Р, значительно более толстую вторичную оболочку S, состоящую из наружно­го слоя S_b среднего слоя S₂ и внутреннего слоя S ₃. Каждый слой оболочки трахеид состо­ит из микрофибрилл, основой которых является кристаллическая целлюло­за, инкрустированная матриксом аморфных или паращшсталлических поли­меров, стабилизирующих структуру микрофибрилл. В составе стенки клет­ки особую роль играет лигнин. Если высокая прочность при растяжении обеспечивается в основном целлюлозными микрофибриллами, то лигнин придает оболочке прочность на сжатие. В древесине хвойных пород из паренхимных клеток состоят в ос­новном многочисленные сердцевинные лучи (см. рис. 1.3.). Они узкие, пре­имущественно однорядные, но среди них встречаются и многорядные лу­чи со смоляным горизонтальным ходом посередине. У сосны, ели и лист­венницы, кроме паренхимных клеток, лучи содержат трахеиды.

5.6.Работа древесины на различные виды силовых воздействий.Растяжение. Предел прочности при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах высок – для сосны и ели он в среднем 1000 кгс/см². Наличие сучков и присучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с выходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков 1/4 стороны элемента предел прочности составляет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов.При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получается при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное влияние концентрации напряжений у мест ослаблений.Сжатие. Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2-2,5 раза меньше, чем при растяжении. Для сосны предел прочности при сжатии в среднем 400 кгс/см². Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков, составляющих 1/3 стороны сжатого элемента, прочность при сжатии будет 0,6-0,7 прочности элемента тех же размеров, но без сучков. Таким образом, работа сжатых элементов в конструкциях более надежна, чем растянутых. Этим объясняется широкое применение металлодеревянных конструкций, имеющих основные растянутые элементы из стали, а сжатые и сжато изгибаемые из дерева.Приведенная диаграмма сжатия (рис.1.1.) при   0,5  более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях  криволинейность ее невелика и она может быть принята прямолинейной до условного предела пропорциональности, равного 0,5.Изгиб. При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели предел прочности при изгибе в среднем 750 кгс/см². Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и косослоя значительно. При размере сучков в 1/3 стороны элемента предел прочности составляет 0,5 прочности бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6-0,8. Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсутствует выход на кромку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.Эпюра напряжений в поперечном сечении изгибаемого элемента при приближении к пределу прочности носит криволинейный характер. При этом фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле  = M/W.Предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения и его высоты. Это учитывается в расчете введением соответствующих коэффициентов к расчетным сопротивлениям.Смятие. Различают смятие вдоль волокон, поперек волокон и под углом к ним. Прочность древесины на смятие вдоль волокон мало отличается от прочности на сжатие вдоль волокон, и действующие нормы не делают различия между ними. Смятию поперек волокон древесина сопротивляется слабо. Смятие под углом занимает промежуточное положение. Смятие поперек волокон характеризуется в соответствии с трубчатой формой волокон значительными деформациями сминаемого элемента. После сплющивания и разрушения стенок клеток происходит уплотнение древесины, уменьшение деформаций и рост сопротивления сминаемого образца.Скалывание и раскалывание. Скалывание – разрушение в результате сдвига одной части материала относительно другой. Различают продольное и поперечное скалывание. Из-за весьма слабого сопротивления древесины скалыванию этот вид деформации часто определяет размеры элементов или соединений.

7,8.Конструктивные и химические меры борьбы с гниением и пожарной опасностью. Использование для изготовления деревянных конструкций древеси­ны с влажностью более 30%, увлажнение конструкций в процессе эксплуатации, нару­шение осушающего режима в помещении и другие причины приводят к загниванию древесины и резкому сокращению сроков службы деревянных конструкций.

Под гниением древесины понимают процесс жизнедеятельности грибов, разру­шающих целлюлозу - самую прочную часть древесины. Процесс развития грибов происходит при средней влажности древесины более 20% в условиях повышенной влажности воздуха при отсутствии проветривания и тем­пературе окружающего воздуха от 0 до 45°С.

Характерные признаки поражения древесины грибами в конструкциях:

• появление на поверхности древесины грибницы - белых пушистых скоплений грибных нитей (гифов), а также наличие в помещении характерного грибного запаха;

• изменение цвета древесины: в начале процесса - на красноватый, затем бурый или темно-коричневый;

• - наличие в древесине глубоких продольных и поперечных трещин, по которым она распадается на отдельные призматические кусочки - деструктивная гниль (древе­сина как бы обугливается, легко отрывается и растирается пальцами в порошок), Основными мероприятиями конструктивной профилактики против загнивания деревянных конструкций являются защита их от постоянного или систематически по­вторяющегося увлажнения, создание осушающего режима эксплуатации.

Основные конструктивные (профилактические) меры против загнивания:

• использование сухого пиломатериала с влажностью W=12 % для изготовления клееных деревянных конструкций и W< 20 % - для неклееных конструкций;

• защита, конструкций от увлажнения на период транспортировки и монтажа;

- размещение деревянных конструкций полностью в пределах отапливаемого по­мещения либо целиком в пределах неотапливаемого чердачного помещения, за утеп­ленным подвесным потолком

вентиляция утепленных деревянных перекрытий

устройство опорных узлов рам, арок так, чтобыниз деревянного элемента был на 300...500 мм выше уровня чистого пола

- обеспечение свободного доступа к опорным узлам конструкций для осмотра и проветривания;

• устройство гидроизоляции в местах соприкосновения древесины с каменной кладкой, бетоном, металлом;

В тех случаях, когда одними конструктивными мерами невозможно гарантиро­вать надежную защиту деревянных конструкций от загнивания, конструкции обрабаты­ваются специальными химическими препаратами - антисептиками - веществами, ока­зывающими отравляющее воздействие на биологических разрушителей древесины. Требования к антисептикам:

• быть токсичными для дереворазрушающих грибов и насекомых и безопасными для человека и домашних животных;

• не влиять на механическую прочность древесины и не способствовать коррозии металлических соединительных деталей;

• легко проникать в древесину и не вымываться из нее, иметь постоянный хими­ ческий состав, не иметь резкого запаха, быть дешевыми и доступными, т. е. экономи­ чески выгодными для применения.

Применяемые в строительстве антисептики дедятря на водорастворимые (неорга­нические или минеральные); маслянистые (органические); комбинированные; ком­плексные (обладающие антисептическими и огнезащитными свойствами).

Наиболее распространенные водорастворимые антисептики (состав, %): кремнефтористый аммоний,

фтористый натрий. В настоящее время применяются, как правило, комплексные составы, оказываю­щие антисептическое и антипирирующее защитное воздействие на древесину.

Предел огнестойкости строительных конструкций - это время (в минутах) насту­пления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструк­ции, признаков предельных состояний: потери несущей способности (R); потери цело­стности (Е); потери теплоизолирующей способности.

Конкретные конструктивные меры защиты от пожарной опасности зависят от функционального назначения зданий и сооружений и устанавливаются соответствую­щими нормами проектирования. Для одноэтажных производственных и складских зда­ний наиболее распространены следующие конструктивные меры защиты: соблюдение противопожарных разрывов между зданиями; устройство противопожарных разрывов длиной не менее 6...12 м в протяженных зданиях; разделение зданий на отсеки (через 50 м) брандмауэрными стенами из несгораемых материалов высотой 600 мм (от по­верхности кровли); проектирование КДК массивного прямоугольного сечения; защита (обшивка) поперечного сечения деревянных элементов листовыми материалами из ас­беста, оштукатуривание растворами; применение несгораемых теплоизоляционных ма­териалов и кровель, разделение на отсеки, не сообщающиеся между собой, кровельных и стеновых панелей, имеющих пустоты.

При невозможности обеспечить требуемую пожарную безопасность зданий кон­структивными мерами используются химические меры защиты, которые включают об­работку деревянных элементов огнезащитными составами - антипиренами.

Антипирены - вещества, которые при нагревании плавятся и покрывают поверх­ность древесины огнезащитной пленкой, препятствующей доступу воздуха к древеси­не, или разлагаются с выделением большого количества негорючих газов, которые от­тесняют воздух от древесины. В состав антипиренов входят фосфорнокислый и серно­кислый аммоний, бура, борная кислота и другие химические вещества.

Наиболее применяемые антипирены для пропитки деревянных элементов препарат МБ-1

Для поверхностной обработки деревянных конструкций могут использоваться фосфатные составы и вспучивающиеся покрытия типа ВП-9.

Пропитка антипиренами снижает прочностные свойства древесины в среднем на 10%. Соединительные металлические детали (накладки, болты) снижают предел огне­стойкости деревянных конструкций, они также должны быть защищены огнезащитны­ми составами.