Строение древесины и физические свойства
Для того, чтобы понять общие принципы конструирования деревянных конструкций, прежде всего, надо знать строение древесины. Знание в этой области позволяет разобраться, как работает древесина при различных видах напряженных состояниях.
В поперечном сечении ствола древесины хвойных пород (сосна, ель) можно рассмотреть несколько характерных слоев (рис. 1.1).
Наружный слой состоит из коры - 1 и луба - 2. Под лубом находится тонкий слой камбия - 3. Назначение луба в растущем дереве - проводить вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещества.
В поперечном разрезе основную часть занимают заболонь и ядро. Заболонь состоит из молодых клеток, ядро - полностью из отмерших клеток. У деревьев всех пород в раннем возрасте древесина состоит только из заболони, и лишь с течением времени происходит отмирание живых клеток. При этом у одних пород древесины центральная часть приобретает темную окраску, т.е. образуется ядро. У других - отмирание не сопровождается ее потемнением.
Рост древесины осуществляется следующим образом. В период весны, когда в стволе появляется много сока, камбий развивает большую деятельность, откладывая во внутреннюю часть значительное количество крупных клеток. Летом по мере уменьшения количества питательных соков активность камбия замедляется, и откладывается меньшее количество клеток и меньших размеров. В зимнее время жизнедеятельность камбия затихает, и рост дерева прекращается. Откладывание весенней и летней частей древесины, периодически происходящее из года в год, является причиной образования годичных слоев (колец). По их количеству, исчисленному по радиусу, легко узнать возраст дерева. Годичный слой состоит из светлого слоя древесины (ранняя древесина), обращенного в сторону сердцевины, и более темного, плотного, летней древесины, обращенного к коре (поздняя древесина).
Механическую функцию в древесине выполняют, в первую очередь, прозенхимные клетки - трахеиды, которые, главным образом, расположены вертикально. Для наглядности основную часть древесины можно сравнить с пучком соломы, в котором отдельные соломинки (трахеиды) склеены между собой в продольном направлении. Трахеиды - это прозенхимные клетки со средним отношением длины их к размеру в поперечном сечении примерно равным 50-60. Стыкование трахеид в продольном направлении осуществляется в процессе роста. Они своими заостренными концами врастают между собой и в другие анатомические элементы, так называемые "парен-химные клетки", имеющие одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. Эти клетки входят в состав "сердцевинных лучей", которые пронизывают в перпендикулярном направлении несколько годичных слоев,
и по ним происходит движение питательных веществ и воды в горизонтальном направлении в период вегетации. В период покоя в них хранятся запасы питательных веществ.
Трахеиды составляют 90% общего объема древесины, и в 1см3 их приблизительно размещается 420000 шт. Трахеид ранней части годичного слоя обладает тонкими стенками (2-3 мкм) и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки (5-7 мкм) и меньшие полости. Длина трахеид 2-5 мм.
Микроструктура всех пород древесины характеризуется большим числом разнообразной формы клеток, окруженных оболочками. Основным веществом, из которого состоит слоистая клеточная оболочка, является целлюлоза, состоящая из: углерода (С - 49,5%), кислорода (О - 44%), водорода (Н - 6%), азота (N - 0,5%).
Это типичное органическое соединение. В среднем можно принять, что в древесине хвойных пород содержится 48-56% целлюлозы (СНО), 26-30% лигнина и 23-26% гемицеллюлоз. Для более полного представления о строении древесины рассматривается три разреза ствола: поперечный, радиальный и тангентальный (рис. 1.2).
Древесина лиственных пород имеет несколько отличную от хвойных пород структуру. Спиральное направление стенок клеток древесины лиственных пород приводит к большому короблению и растрескиванию пиломатериала при сушке, ухудшению гвоздимости. Наличие этих недостатков и малая стойкость к загниванию ограничивает применение лиственных пород для деревянных конструкций. Более высокие прочностные показатели древесины твердых лиственных пород реализуются путем использования их для изготовления соединительных элементов (начели, шпонки, накладки), а также опорных антисептированных деталей.
Физические свойства древесины Плотность. Поскольку влага составляет значительную часть массы древесины, то величина плотности устанавливается при определенной влажности. С увеличением влажности плотность увеличивается и, поэтому для расчетов при определении постоянных нагрузок используют усредненные показатели, представленные в нормах (1).
Для конструкций, эксплуатируемых в условиях, когда равновесная влажность не превышает 12% (отапливаемые и неотапливаемые помещения с относительной влажностью до 75%), плотность сосны и ели составляет 500 кг/м3, а лиственницы 650 кг/м3.
Для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе или в закрытых помещениях с высокой влажностью более 75%, плотность сосны и ели составляет 600 кг/м3, а лиственницы 800 кг/м3.
Теплопроводность древесины зависит от плотности, влажности и направления волокон. При равной плотности и влажности теплопроводность поперек волокон в 2,5-3 раза меньше, чем вдоль волокон. Коэффициент теплопроводности поперек волокон при стандартной влажности 12% более чем в 2 раза ниже, чем при влажности равной 30%. Эти показатели объясняются трубчатым строением волокон древесины.
Температурное расширение. Коэффициент линейного расширения поперек волокон пропорционален плотности древесины, и в 7 - 10 раз больше коэффициентов расширения вдоль волокон. Это объясняется тем, что при нагревании древесина теряет влагу и меняет свои объемы.
В практике проектирования температурные деформации практически не рассматриваются, т. к. коэффициент линейного расширения вдоль волокон незначителен.