Механические свойства древесины.

Одна из основных причин механических свойств древесины – нестандартность трахейд. Древесина является упругопластическим материалом, при быстром кратковременном действии нагрузки древесина составляет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформациям. При длительном действии неизменной нагрузки деформации во времени существенно увеличиваются. Для древесины характерны такие явления как ползучесть и релаксация. Ползучестью называется увеличение деформации при длительном действии неизменной нагрузки. Снижение напряжений с течением времени при неизменной деформации называется релаксацией. Различают упругие (мгновенные) деформации, эластические (вязкие) деформации, пластические, остаточные деформации. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после её приложения в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточные деформации. Упругие и эластические деформации обратимы, т.е. исчезают после снятия нагрузки в течение малого (упругие) или более менее длительного (эластические) промежутка времени. Остаточные деформации (пластические) деформации являются необратимой частью общих деформаций и остаются после снятия нагрузки.

Из-за особенностей строения древесины она является анизотропным материалом, т.е. её упругие и механические свойства различны в разных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон древесины. При совпадении направления силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения и в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам (90⁰).

Что касается упругих характеристик древесины, то модуль упругости древесины вдоль волокон значительно выше, чем поперёк волокон. Это относится так же и к прочностным характеристикам.

Для расчёта элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных видах напряжённого состояния, а так же при сложном состоянии (растяжение с изгибом). Определение предела прочности производится путём испытания стандартных образцов выполненных из чистой, без всяких пороков древесины. В пределах одной и той же породы древесины испытания могут показать значительный разброс показателей прочности. Это объясняется неоднородностью древесины. Например, у хвойных пород прочность поздней древесины в 3 раза выше прочности ранней древесины. Так же может быть различным толщина стенок трахейд. Абсолютная величина ширины годовых слоёв так же влияет на прочность. Так древесина принадлежит к тем материалам, на прочность которых большое влияние оказывает скорость приложения нагрузки. Придел прочности выше, как показывают опыты, если серию одинаковых деревянных образцов загрузить различной по величине постоянной нагрузкой, то разрушение их произойдёт через разные промежутки времени. Чем больше нагрузка (тем больше напряжение в элементе), тем скорее разрушится образец. При этом может оказаться, что часть образцов не разрушится.

Предел долговременного сопротивления – это наибольшее напряжение, при котором разрушение не произойдёт, сколько бы нагрузка не действовала. Кривая длительного сопротивления даёт возможность определить сколько времени пройдёт от начала загружения, до разрушения образца при том или ином напряжении. Предел прочности в данном случае стремится к некоторой постоянной величине R_дл.

Характер кривой показывает, что предел прочности хотя и падает, но не безгранично, он стремится к некоторой постоянной величине R_дл.

Асимптота кривой длительной (долговременного) сопротивления делится весь диапазон изменения нагрузки на две области:

1) δR_дл – это область ниже асимптоты, где разрушение образца не происходит, как долго не действовала нагрузка.

2) δR_дл – это область выше асимптоты, где разрушение с течением времени неизбежно, и оно произойдёт тем скорее, чем величина δ больше. Это ассимптический характер кривой длительного сопротивления справедлив для многих видов напряжённого состояния древесины. По кривой длительного сопротивления можно графически показать зависимость деформаций от времени при величине действующей нагрузки.

При напряжении δR_дл деформации с течением времени затухают, стремясь к некоторому пределу. При напряжении δ = R_дл, после некоторого уменьшения скорости деформации на участке в - г наступает процесс развития деформации с постоянной скоростью на участке г - д. Далее в момент времени t₁ начинается ускоренный рост деформаций, приводящий к разрушению материала. Как видно из графика древесина обладает свойством после действия, как в упругой, так и вне упругой области, т.е. рост деформации в течение некоторого времени после приложения нагрузки. Последствия наблюдаются на практике, например, провисание балок, находящихся долгое время под эксплуатационной нагрузкой. Долговременное длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины в отличие от предела прочности. Предел прочности определяется путём быстрых испытаний стандартных образцов. Переход от предела прочности к величине длительного сопротивления производится умножением предела прочности на коэффициент длительного сопротивления.

δ_дл = k_удл × δ_дл ;

Коэффициент длительного сопротивления по опытным данным составляет k_удл = 0,5 – 0,6.

Так же опыт показывает, что при очень быстром приложении нагрузки (удар груза по конструкции) предел прочности завышен по отношению к величине длительного сопротивления в среднем в 3 раза. Т.о. относительная прочность древесины при её испытаниях с различной скоростью изменения в пределах от 1 до 3.

Для сокращения времени испытания были разработаны ускоренные методы определения предела длительного сопротивления доводящие продолжительность испытаний до нескольких дней или часов.