Модуль пружності деревини при вигині вздовж волокон: параметри від яких залежить міцність, пластичність та пружність дерева
Модуль пружності — один із найважливіших фізико-механічних показників усіх порід деревини та отриманих пиломатеріалів. Цей показник впливає на розрахунки прогинів дерев’яних конструкцій.
Особливо це важливо при зведенні дерев’яних каркасів будинків та балок перекриттів, на які лягає основне навантаження під час експлуатації споруди.
Поняття пружності
Пружністю називається властивість дерев’яних виробів відновлювати свою форму після зняття зовнішнього навантаження. Ця властивість характерна для всіх будматеріалів. Але стовбур дерева формується з волокон целюлози, які розташовуються паралельно один до одного і можуть досягати довжини 45 см.
Відповідно властивості дерев’яних виробів мають різне значення вздовж розташування волокон і поперек. Це визначає призначення пиломатеріалів та подальше їх використання у будівництві.
Пружність показує здатність дерев’яних матеріалів відновлювати початкову форму. Деформація має бути незначною та оборотною.
Вимірюють показник за трьома напрямками:
- Вздовж та поперек волокон целюлози,
- У радіальному напрямку перпендикулярно зростанню річних кілець,
- У тангенціальному напрямку, коли розпил йде по дотичній до річних кільцях.
Розрахунки показника вздовж волокон у 25 разів менші у хвойних порід та у 20 разів у листяних та становлять 100-150 тис. кг/см2. А в радіальному зрізі він більше на 1,8 раза, ніж у тангенціальному напрямку.
Вплив властивостей деревини на модуль пружності
На значення величини пружності впливає цілий ряд факторів, починаючи від породи дерева, віку та закінчуючи фізичними характеристиками, такими як вологість, пористість, твердість.
Розташовуються волокна целюлози паралельно стовбуру дерева. Чим більше вони переплітаються один з одним і чим ретельніше пошиті між собою лігніном, тим більша опірність зовнішніх навантажень і менша деформація.
- У старих дерев модуль пружності в 1,5 – 2 рази вищий, ніж у молодих. З віком волокна ущільнюються між собою.
- У різних порід дерев характерний малюнок річних кілець, він буває яскраво виражений у північних порід і невиразний у тропічних. Навесні відкладається пухка і тонка тканина, до осені вона стає щільнішою.
- Центральна частина або серцевина міцніша, менше містить вологи, а заболонь або зовнішній шар більш пухкий.Отже, і протидія навантаженню відрізнятиметься.
- При підвищенні вологості деревини різко знижуються її механічні властивості, у тому числі здатність протистояти деформаціям. Для будівництва використовують пиломатеріали з вологістю трохи більше 15%.
- Вага різних порід впливає на її властивості, чим легший матеріал, тим нижча міцність і пружність. У важких порід щільність вища, отже, і здатність протистояти деформації.
До неприпустимих вад будматеріалу відносять сучки, тріщини, великі сколи, вигнутість, смоляні напливи, покоробленість.
Ураження грибковими захворюваннями, комахами знижують механічні властивості дерева.
Прояв пружних властивостей деревини
Сила, що впливає на дерев’яну конструкцію, викликають деформацію, що призводить до зміни її первинної форми.
- Властива матеріалу пружність повертає конструкції первісну форму.
- Якщо сила більша, ніж здатність їй протидіяти, з’являється залишкова деформація, яка зникає з часом із змінами вологості та температури.
- Межа настає, коли дошка ламається, не витримавши навантаження. Часто плутають показники пружності та гнучкості.
- Гнучкість – це здатність змінювати форму, а пружність її відновлювати.
З пружних порід виготовляють каркаси меблів, спортивні снаряди, деталі кораблів, ложа біля зброї, ручки слюсарних інструментів.
Пружність як фізична величина
Вона характеризується кількома розрахунковими величинами:
- Модуль обчислюють як відношення прикладеної сили до величини відносної деформації,
- Коефіцієнт пружності розраховує, як ставлення залишкової деформації до початкового положення,
- Модуль зсуву показує здатність матеріалу чинити опір прикладеним напругам. При цьому форма може змінюватись, але обсяг залишається постійним.
Ці показники враховуються при проведенні покрівельних робіт та встановлення кроквяної системи. Адже вони несуть на собі не лише вагу покрівлі. Але й протистоять вітру, вазі снігового покриву.
Нормативна документація
Дотримання вимог та відповідних стандартів знижує ризик руйнування дерев’яних конструкцій, їх пошкоджень унаслідок сильного вітру, снігопаду.
Це підвищує безпеку людей, що проживають у будинках, збереження майна, державних цінностей. Модуль пружності розраховують для пиломатеріалів, клеєних матеріалів, фанери, ДСП та ДВП.
- Відповідно до будівельних БНіП при створенні проекту приміщень конструкції зобов’язані відповідати вимогам розрахункової документації щодо деформації та несучої здатності стін та основ будівель.
- При проектуванні враховуються кліматичні умови експлуатації, стан ґрунту, близькість водойм, сила вітру, кількість опадів у зимовий час.
- Дерев’яні конструкції при належному догляді та обслуговуванні повинні бути мінімум 50 років, бути надійними та безпечними.
У ГОСТі 16483.9-73 встановлено у законодавчому порядку метод визначення пружності, послідовність розрахунків, перераховані види деревини та пиломатеріалів, що підлягають обов’язковій стандартизації.
Величина розраховується на розтягнення, на стиск, на статичний вигин і вимірюється в МПа. Так для берези модуль пружності на розтяг становить 18300 Мпа, на стиск – 16100, а на вигин – 15400 Мпа. Для дуба відповідно – 14300, 1160, 1340 Мпа, а для сосни – 12100, 12100 та 640 Мпа.
Вивченням властивостей деревини займається наука реологія. Вчені вивчає властивості полімерів та їх зміну з часом, що спричиняє незворотні деформації.
