Архит._материал._-_Шеина_Ч1

Эксплуатационные и технологические свойства

Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления бд.с., который в среднем для всех видов нагрузки составляет около 0,5…0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях. Показателем прочности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности.

При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели – расчётные сопротивления. Они учитывают большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы.

Удельная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше, чем у древесины хвойных пород.

Статическая твёрдость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твёрдого тела. Испытания на статическую твёрдость проводят по схеме, показанной на рисунке 132.

Для испытания на твёрдость используют приспособление, которое имеет пуансон с полусферическим наконечником. Его вдавливают на глубину радиуса. После испытания в древесине остаётся отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм2. Показателем статической твёрдости образца, Н/мм2, является усилие, отнесенное к этой площади. Статическая твёрдость торцевой поверхности выше, чем боковых поверхностей (таблица 26).

Все отечественные породы по твёрдости торцевой поверхности при 12%- й влажности делят на три группы: мягкие – сосна, пихта, ель, ольха (твёрдость 35…50 Н/мм2), твёрдые – дуб, граб, береза, ясень, лиственница (50…100) и очень твёрдые – кизил, самшит (более 100 Н/мм2).

Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величина которого тем больше, чем меньше твёрдость древесины.

Рисунок 132 – Испытание образца на статическую твердость

Износостойкость – способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверх-

ностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.

164

Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдёргиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдёргивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдёргивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдёргивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву. Сопротивление выдергиванию гвоздя, вбитого в торец древесины, на 20…50 % меньше (в зависимости от породы дерева) сопротивления выдергиванию гвоздя, вбитого в боковую поверхность (радиальную или тангентальную).

Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Способность гнуться выше у кольце сосудистых пород, таких как дуб и ясень, а из рассеянно-сосудистых пород – у бука. Хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие образования замороженных деформаций при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали.

Для сравнительной оценки качества древесины используют так называемые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее механических свойств, отнесенные к единице плотности.

Стойкость древесины против действия агрессивных сред. Длительное дей-

ствие кислот и щелочей разрушает древесину, и чем выше концентрация, тем сильнее их разрушающее действие.

Слабощелочные растворы не разрушают древесину. В кислой среде древесина начинает разрушаться при рН < 2, тогда как разрушение бетона и стали начинается при рН < 4.

Хвойные породы более стойки к действию серной, азотной, соляной и уксусной кислот и едкого натра, чем лиственные, а из хвойных пород наибольшей стойкостью обладает лиственница. В морской воде древесина сохраняется хуже, чем в речной или озерной воде. В воде большой бактериологической агрессивности стойкость древесины низка, поэтому ее использование в сетях канализации не допускается.

10.4 Пороки древесины

Отклонение от нормального строения, повреждения и различные заболевания, понижающие ее качество и ограничивающие применение, называют пороками. Пороки появляются как при росте дерева, так и при хранении на складах и эксплуатации. В зависимости от причин их появления, пороки делят на следующие основные группы: зависящие от неправильного роста (формы и строения); образовавшиеся от механических повреждений, от грибковых заболеваний и от повреждения насекомыми.

Пороки строения древесины (ГОСТ 2140)

165

Метик – представляет собой одну или несколько широких внутренних,

(более двух трещин, расположенных в разных плоскостях), каждый из них может быть согласным (по стволу) и несогласным (винтообразный).

сине почти всех пород. Они образуются при высыхании древесины ниже точки насыщения волокон и распространяются от поверхности вглубь. Нарушая целостность древесины, трещины усушки снижают ее механическую прочность, гниение.

Сучками называют заключенное в древесине ствола основание ветвей, живых или отмерших при жизни дерева. Сучки вредны потому, что нарушают однородность строения дерева: около них волокна искривляются, что понижает прочность древесины, особенно при растяжении. Степень ослабления древесины сучками зависит от их числа, размеров и расположения (рисунок 133). Особенно опасны сучки для элементов строительных конструкций, работающих на растяжение (растянутые пояса ферм и растягиваемые зоны балок).

Рисунок 133 – Виды сучков сосны: а – светлый здоровый; б – гнилой; в – табак

По состоянию древесины сучка и степени срастания его с древесиной выделяют твердые сросшиеся (здоровые, роговые, окрашенные), твердые частично сросшиеся и несросшиеся (выпадающие, рыхлые, табачные). По форме сучки подразделяются на круглые и овальные, а по взаимному расположению – на разбросанные, групповые (лапчатый) и разветвленные (сшивные).

Грибковые поражения вызывают простейшие растительные организмы – грибки, которые развиваются из спор, заносимых в древесину ветром, водой и насекомыми. Одни грибки изменяют только окраску древесины, почти не влияя на физико-механические свойства (деревоокрашивающие), другие не только изменяют цвет, структуру и свойства древесины, но и разрушают ее, образуя

гниль (дереворазрушающие).

167

Питательной средой для деревоокрашивающих грибков служит только содержимое клеток. Эти грибки не затрагивают клетчатку и поражают преимущественно растущий лес или срубленную древесину, пока она не утратила своих соков (рисунок 134).

К таким поражениям относят складские грибки, например Cerastomella, вызывающие синеву. Другие окраски в виде сплавной желтизны, кофейной темнины, чернильных пятен на древесине, богатой дубильными веществами, заболонной краснины вызывают грибки, сходные с грибками синевы, вызывающих синеву. Питательной средой для дереворазрушающих (сапрофитных) грибков является целлюлоза. Гифы – нитевидные клетки, образующие грибницу, выделяют фермент, который превращает нерастворимую в воде целлюлозу (полисахарид) в растворимую глюкозу (моносахарид): (С6Н10О5)n + mН2О → (С6Н12О6)n, служащую для питания и дальнейшего развития грибков. В теле грибка глюкоза окисляется кислородом воздуха, образуя углекислый газ и воду:

С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О.

Древесина при этом меняет окраску, масса ее уменьшается, нарушаются связи между волокнами, она покрывается сетью продольных и поперечных трещин и распадается на призматические ил кубические участки или становится трухлявой. К этой группе грибных поражений относят ядровую – внутреннюю (ситовую, трухлявую и белую), заболонную и наружную гнили.

По условиям образования грибки подразделяют: на лесные (тутовик, опенок, вешенка), биржевые (стволовой, складской) и домовые. Настоящий домовой (Merulius lacrumans) – самый опасный из всех грибков дереворазрушителей. Признаком его появления является образование белого пуха с яркими желтыми пятнами и капельками влаги. Гриб белый домовой (Poria vaporaria) менее опасный. Признаком его появления является белая грибница на всех стадиях развития. Гриб шахтный (Pacsillus acheruntius) поражает древесину, закопанную в землю. Признаком появления этого грибка является образование золоти- сто-желтого оттенка на древесине, переходящего в дальнейшем в бурый цвет.

168

Стволовой грибок (Lenzites sepiaria) образует деструктивную гниль, главным образом на круглых бревнах хвойных пород. Мрамор – это гнилостное поражение древесины, преимущественно лиственных пород после рубки, вследствие процесса «задыхания». Древесина, пораженная «мрамором», непригодна для изготовления из нее строительных конструкций и деталей.

Биологические повреждения включают три вида: червоточина, повреждение паразитами растениями и птицами. Насекомые расселяются преимущественно на свежесрубленных, а также на сухостойных и ослабленных деревьях на корню. Особенно большой вред древесине растущих деревьев приносят короеды, усачи, дубоеды и их личинки и другие насекомые (рисунок 135).

Рисунок 135 – Личинка майского жука

Для конструкционной древесины опасными являются домовой точильщик жук, который поражает стропила, чердачные балки, наружные стены домов, подоконники и заборы. Непоправимый вред деревянным зданиям наносит термит, который помимо древесины повреждает даже бетон. Для материалов, работающих под водой опасен корабельный червь (или шашень – Teredo navalis).

Повреждения, наносимые насекомыми, носят общий термин – червоточина. Червоточиной называют ходы и отверстия, проделанные в древесине насекомыми. Различают червоточину поверхностную, проникающую не более 3 мм (короед, лубоед), неглубокую (на 15 мм), глубокую и сквозную.

В группе пороков «Инородные включения, механические повреждения и по-

роки обработки» выделяют 32 вида. К этим порокам относится обугленность и обдир коры, кора и скос пропила, обзол (тупой, острый) и закорина, риски и ворсистость, мшистость и накол, царапина и выхват, гребешок и недошлифова, ожог и т.д.

10.5 Материалы и изделия из древесины

Пиломатериалы в архитектуре, интерьере и ландшафтном дизайне

Пиломатериалы (анг. – sawn timber) – часть лесоматериала, полученная путем продольного пиления или фрезерования бревна или древесины больших размеров и, возможно, поперечной распиловки и /или дальнейшей машинной обработки для получения требуемой прочности (ГОСТ 24454).

Согласно основному стандарту на пиломатериалы (ГОСТ 8486), их разделяют по размерам поперечного сечения: на доски (ширина больше двойной толщины); бруски, (ширина меньше двойной толщины); брусья (ширина и толщина более 100 мм). По характеру обработки: на обрезные, когда все четыре стороны пропилены, а величина обзолов на пластях и кромках не превышает допускаемые размеры по сортам пиломатериалов; необрезные, когда пласти пропилены, а величина обзолов на пластях и кромках превышает допускаемые размеры обзолов в обрезных пиломатериалах (рисунок 136).

Деревянные дома

169

В нашей стране, богатой лесами, доля индивидуальных домов из древесины не превышает 10…12 %, в то время как в ведущих странах мира, таких как Финляндия, Швеция, Норвегия, Япония, США и Канада более 60 % жилых домов, общественных и спортивных сооружений построено из древесины или с использованием деревянных конструкций. Восемьдесят процентов индивидуальных домов и таунхаусов в США и Канаде строят из дерева. Кроме того, использование древесины в российском строительстве составляет всего 0,03 м3/м2 площади, тогда как в развитых странах – 0,5…0,7 м3.

Рисунок 136 – Виды пиломатериалов:

1 – пилочные строительные бревна; 2 – пластина; 3 – четвертина; 4 и

5 – обрезные доски; 6 – необрезная доска; 7 – горбыль; 8 – брус; 9 – доска, строганная с четырех сторон; 10 – шпунтованные доски; 11 – фальцованные доски; 12 – плинтус;

13 – наличники

Наибольших успехов в совершенствовании технологии строительства деревянных домов добились северные страны, где много хвойных лесов, это Канада, Норвегия, Швеция и Финляндия.

Дерево обладает превосходными строительно-техническими свойствами и является строительным материалом, который не загрязняет окружающую среду. Деревянная стена толщиной 45 см сохраняет столько же тепла, сколько кирпичная толщиной в 2 м. Деревянный дом отлично подходит для любого климата, в нем и летом не жарко, и зимой не холодно. Кроме того, дерево отвечает всем санитарно-гигиеническим требованиям по уровню комфортности, недаром в Европе деревянные дома считаются наиболее дорогими и престижными. В них дышите чистым воздухом, не сухим и не влажным. Деревянные конструкции обладают пятикратным запасом прочности при пожаре по сравнению с металлическими конструкциями. Они не выделяют токсинов при горении, как пластики. Деревянные дома легки – в 5…6 раз легче кирпичных домов, поэтому им не нужен массивный фундамент. Он может быть простым, например столбчатой конструкции, что ощутимо сокращает сроки строительства и в 4…6 раз дешевле железобетонного монолитного.

170

Деревянные дома различаются способами возведения стен и используемыми для этого материалами. В России в настоящий момент получили развитие бревенчатые, из бруса и каркасные типы домов (рисунок 137).

Основой современной технологии строительства деревянных бревенчатых домов, как и прежде, остается сосновое или еловое бревно, отличающееся твердой ядровой древесиной. Самым предпочтительным стеновым материалом для деревянного дома является сибирская лиственница. Это практически вечный материал, она совершенно не боится влаги и имеет красивую структуру. В то же время лиственница, имеющая большую плотность, лучше проводит тепло и поэтому она больше подходит для покрытия стен в доме, для производства балок и стропил. Россияне предпочитают более смолистую с большей плотностью древесины сибирскую сосну, тогда как Европа вывозит из России в основном ель, имеющую меньше сучков. Ель более подвержена гниению, по этой причине ее используют гораздо чаще для внутренней отделки дома. Кедр, который, как и лиственница, стоит вдвое дороже сосны, – естественный антисептик, поэтому к нему меньше пристает грибок и плесень. Это дерево снаружи плотное, внутри оно мягче сосны, поэтому

Рисунок 137 – Рубленый дом из окоренного бревна

кедр идет в основном на рубленые дома. Время заготовки – зима, когда деревья «спят», в них не бродят соки, древесина получается суше на всю глубину.

Сруб, выполненный вручную, является наиболее древним и испытанным тысячелетиями способом строительства деревянных домов. Ручная обработка позволяет аккуратнее снимать заболонь, что сохраняет природные качества живого дерева. Каждое последующее бревно тщательно подгоняется к предыдущему. На бревнах производят продольные пропилы для снятия напряжения и образования скрытых трещин при высыхании. В течение первых двух лет дом дает до 10 % усадки. Такая технология строительства является самой сложной, трудоемкой, требующей высокой квалификации и мастерства плотников.

Дома из лафета (норвежские дома) – это своего рода разновидность предыдущего метода строительства, только строится дом не из круглого бревна, а из лафета (полубруса) с использованием характерной «норвежской» чаши (рисунки 138, 139).

Рисунок 138 – Норвежская чаша

За счет стесанных боковых поверхностей бревна можно получить несколько больший объем внутренних помещений. Норвежская технология дает плотное соединение пазов и чашек при высыхании сруба, что очень важно для круглогодичного проживания без дополнитель-

171