Модуль упругости древесины — расчетные показатели упругости и пластичности древесины различных пород

Древесина – универсальный природный материал с широким спектром применения: от строительной отрасли до производства мебели, предметов интерьера, игрушек. При выборе лесоматериала в первую очередь учитывают его технические характеристики, от которых зависит область использования.

Одним из основных свойств древесины является упругость. Чем выше способность древесных волокон возвращать первоначальную форму при прекращении деформирующей силы, тем большую нагрузку они могут выдержать при механическом воздействии. Именно по этому показателю определяют предел прочности деревянных изделий.

Содержание

Модуль упругости

Расчетная величина, представляющая показатель пропорциональности действующей нагрузки и изменения формы материала, возвращающейся в исходное положение после прекращения силового воздействия.

Обозначается латинской буквой Е, измеряется в паскалях Па(1 Па = 1 кг/м·с2), мегапаскалях МПа(1МПа = 106 Па), гигапаскалях ГПа(1ГПа = 109 Па).

Фото: nito4ka.ru.

Способность древесины восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки зависит от:

Породы дерева. Наибольший модуль упругости у граба, кизила, самшита, ясеня, бука, лиственницы, наименьший у осины, липы, тополя.
Возраста. Спелая древесина (лиственные породы от 20 до30 лет, хвойные от 40 до 60 лет) более упруга, обладает большей жесткостью, чем молодые деревья.
Влагонасыщенность древесины. Чем сырее материала, тем меньше упругость.
Прямослойности древесины. Сопротивляемость напряжению у свилеватых экземпляров снижена по сравнению с прямослойными.
Величины проводящих лучей сердцевины. Высокая упругость у пород деревьев с небольшими лучами, расположенными в один ряд.
Объемного веса. Плотная тяжелая древесина более жесткая и обладает повышенной прочностью, чем легкая.

Для расчета прочности лесоматериала определяют деформативность по области воздействия нагрузочного давления на волокна дерева:

Вдоль (Еа).
Поперек, тангенциально (Еt), когда механическое воздействие направлено по касательной к годичным слоям дерева на некотором расстоянии от сердцевины.
Поперек, радиально (Еr), когда механическое воздействие направлено перпендикулярно годовым слоям дерева.

Модуль упругости Еа у всех пород деревьев выше модулей Еt и Er в 20-90 раз. Это объясняется сильно выраженной анизотропией древесины, когда физические свойства материала существенно отличаются по различным наклонам волокон.

Наиболее широко востребована в производстве древесина дуба, сосны, ели, березы. Рассмотрим технические характеристики указанных пород деревьев.

Дуб

Дерево с прочной, твердой древесиной. Отличается устойчивостью к механическому разрушению. Хорошо поддается обработке, лакированию, морению, имеет красивую волокнистую структуру.

Показатели модулей упругости дуба в МПа:

растяжение: Ea – 14300, Еt – 890, Еr – 1160;
сжатие: Ea – 14300, Еt – 970, Еr – 1340;
статический изгиб – 15400.

Используется в кораблестроении, строительной отрасли, для изготовления мебели, предметов интерьера, игрушек.

Сосна

Распространенная и доступная древесная порода. По праву считается одним из лучших экологических строительных материалов. Клетки сосны способны пропускать воздух, поэтому из сосновых пиломатериалов строят жилые помещения.

Несмотря на относительную мягкость древесины, сосна обладает высокой плотностью, эластичностью, упругостью.

Модули упругости сосны в МПа:

при растяжении: Ea – 12100, Еt – 500, Еr – 580;
при сжатии: Ea – 12100, Еt – 570, Еr – 690;
при изгибе (статическом) – 12600.

В основном используется в строительной отрасли.

Ель

Обладает большей гибкостью по сравнению с сосной, выдерживает значительные нагрузки. Сильно выраженное анизотропное строение материала обеспечивает высокое резонансное распространение звука.

Основной элемент древесины ели, трахеиды. Благодаря веретенообразным, длинным клеткам ель служит основным сырьем для целлюлозной промышленности.

Модули упругости ели в МПа:

при растяжении: Ea – 14600, Еt – 490, Еr – 690;
при сжатии: Ea – 14500, Еt – 430, Еr – 660;
при изгибе (статическом) – 11000.

Древесина ели используется для изготовления музыкальных инструментов, бумаги, столярных изделий, строительных балок, стропил, мебели

Береза

Дерево относится к лиственным, мягким породам, но ее древесина обладает повышенной эластичностью, вязкостью, поэтому по упругости и прочности занимает среднее место.

Модули упругости березы в МПа:

при растяжении: Ea – 18300, Еt – 490, Еr – 670;
при сжатии: Ea – 16100, Еt – 520, Еr – 670;
при изгибе (статическом) – 15400.

Из березы делают декоративный шпон, паркетную доску, ламинат, мебель, фанеру.

Определение модуля упругости

При расчете модулей упругости используют положения государственных стандартов, например, для определения модуля упругости при статическом изгибе – ГОСТ 16483.9.

Процесс расчета довольно сложный и трудоемкий, для работы используются:

испытательная машина – МР-0,5;
тензометрическая станция – ЦТМ-5;
штангенциркуль.

Испытания проводят на небольших образцах древесины. Материал сжимают, растягивают, изгибают. Нагрузку направляют вдоль, радикально поперек, тангенциально против волокон. Все измерения производятся с погрешностями не превышающими 1%.

В ходе исследований установлено, что модуль упругости при механическом воздействии на древесину вдоль волокна в 20 и более раз больше по сравнению с действием такой же силы поперек волокон.

При радикальной нагрузке деформативность выше на 20-50%, чем при тангенциальном направлении.

Пластичность древесины

Механическое свойство древесины противоположное упругости– способность изменять первоначальные параметры при физическом воздействии и сохранять их после прекращения этого воздействия. Свойство назвали пластичностью.

Хорошая пластичность у деревьев с множественными большими лучами сердцевины, таких как вяз, бук, ясень, дуб.

Пластичность и упругость зависят от одних и тех же природных критериев, но влияние их противоположное. Фактор, повышающий упругость, снижает пластичность материала. Например, чем сырее древесина, тем ниже ее упругость, но выше пластичность. При производственной необходимости пиломатериалы сушат, увеличивая их прочность, или парят в горячей воде для повышения пластичности.

Из пластичной древесины производят гнутые изделия: мебель, лыжи, предметы интерьера.

При использовании древесины важно учитывать механические свойства материала и условия эксплуатации изделий из него. По правильно рассчитанному модулю упругости можно определить прочность древесины и безопасность использования деревянных изделий.