Дерево как строительный материал. Свойства древесины и их учёт при проектировании и расчёте строительных конструкций

Применительно к России, в которой сосредоточены огромные лесные богатства, технико-экономическая обоснованность деревянного строительства не вызывает сомнений. Более 70 % лесов Российской Федерации находятся в Сибири и на Дальнем Востоке. Запасы древесины на корню в нашей стране составляют около 40 % мировых запасов. На новое строительство ежегодно расходуется около 200 млн м³ деловой древесины.

Возможность применения древесины для строительства зависит от ее свойств. В первую очередь, речь идет о сучковатости, средней ширине годичных колец, расположении волокон или смоляных ходов, которые в зависимости от назначения древесины допускаются в известных пределах. Возможны и такие качественные отклонения как трещины, поражения грибами или насекомыми, которые могут возникнуть как до валки леса, так и после нее.

Ценные строительные свойства древесины определяют области ее эффективного использования. Невысокая плотность сухой древесины, при сравнительно большой прочности и жесткости (вдоль волокон), делает целесообразным применение деревянных конструкций в покрытиях общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий. В них наиболее полно используются лучшие конструкционные свойства сухой древесины и возможности конструктивной защиты от гниения. Благодаря экологической чистоте древесина особенно привлекательна для строительства жилья, в частности коттеджного типа. Малая теплопроводность сухой древесины поперек волокон позволяет эффективно использовать ее в ограждающих частях отапливаемых зданий. Химической стойкостью сухой древесины обусловлено преимущественное применение безметалльных (особенно клееных) деревянных конструкций для покрытий химических цехов и складов.

Наиболее высокие требования предъявляются к качеству материала, используемого для растянутых элементов, менее высокие - к материалу, предназначенному для сжатых и изгибаемых элементов, пониженные требования - к материалу для неответственных элементов (настилов и обрешеток под кровлю), повреждение которых не нарушает целостности конструкции.

Для несущих конструкций используют в основном хвойные породы, в первую очередь - сосну и ель, затем лиственницу, пихту и кедр. Лиственные породы (осину, березу, ольху, липу и тополь) применяют лишь в конструкциях временных зданий и сооружений, а также для устройства опалубки, лесов и подмостей. Дубовая древесина обладает наибольшей прочностью и стойкостью к загниванию, однако она наиболее дефицитна и дорога. Поэтому ее применяют только в соединительных деталях.

В современном строительстве растет популярность высококачественных, долговечных и экономичных деревянных деталей и конструкций, удовлетворяющих требованиям индустриального изготовления с использованием комплексной механизации и переработки отходов производства. Клееные деревянные конструкции (КДК) способствуют повышению качества строительства, широкому применению сборных деталей любой формы и размеров и являются наиболее экономичными по расходу лесоматериала.

Применение новых материалов - водостойкой фанеры, ориентированной древесностружечной плиты ОСП и ЛВЛ-бруса - позволяет использовать мало пригодную для строительства древесину и отходы.

Индустриальное производство конструкций из высушенного лесоматериала, проведение мероприятий по защите древесины от гниения и огня, создают условия для существенного повышения долговечности деревянных конструкций.

При соблюдении норм и рекомендаций на проектирование, изготовление, монтаж и эксплуатацию деревянные конструкции надежны, долговечны и экономичны.

Свойства древесины

Рассмотрим более подробно физические, химические и механические свойства древесины.

К физическим свойствам древесины относятся влажность, объемный вес, температурное расширение, теплопроводность, цвет и текстура.

Влажностью называется отношение массы влаги, содержащейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины. Влажность (%) древесины W определяется с помощью электровлагомера (действие которого основано на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности) или весовым способом по формуле

где m1, m2 - вес образца до высушивания и после высушивания до постоянного веса.

Влажность древесины может быть трех видов: свободная (капиллярная) -заполняющая полости клеток и межклеточное пространство; связанная (гигроскопическая) - находящаяся в клеточных оболочках; химическая - входящая в состав веществ, образующих древесину. Удаление свободной влаги (заполняющей внутренние пустоты) изменяет плотность древесины, удаление связанной влаги (пропитывающей оболочку клеток) влечет за собой изменение плотности и прочности, размеров и формы, а удаление химической влаги, входящей в состав древесины, ведет к изменению вещества.

По степени влажности древесина может быть абсолютно сухой (влажность - 0 %), комнатно-сухой (6...12 %), воздушно-сухой (15...20 %), полусухой (21...23 %), сырой (23...39 %), свежесрубленной (40...75 %) и мокрой (более 75 %). Влажность сплавной древесины может достигать 200 %.

Максимальное количество связанной влаги для всех пород примерно одинаково и составляет 30 %, при температуре 20 °С. Такая влажность называется пределом гигроскопичности, или точкой насыщения клеточных оболочек. Это состояние древесины, при котором свободной влаги нет, а в клеточных оболочках содержится максимальное количество связанной влаги.

В свежесрубленной древесине, при высыхании в атмосферных условиях, сначала происходит быстрое удаление с поверхности свободной влаги, а затем и части связанной с одновременным перемещением ее из внутренних слоев к наружным. Такой процесс приводит к равномерному распределению влаги, соответствующему температуре и влажности окружающего воздуха. Каждому сочетанию температуры и относительной влажности воздуха соответствует определенная установившаяся влажность древесины, которая называется равновесной (устойчивой) влажностью. При применении в строительстве древесины с влажностью выше равновесной необходимо учитывать значительную разность усушки древесины вдоль и поперек волокон и придавать элементам припуск на усушку.

Строительные нормы ограничивают влажность древесины как материала до 25 %, а в клееных конструкциях - до 12 %.

Сушкой древесины называется процесс удаления из нее влаги путем испарения. Используются три способа сушки пиломатериалов: естественная (атмосферная), искусственная (камерная)и комбинированная (атмосферная плюс камерная).

Удаление свободной влаги происходит сравнительно легко, без изменения линейных размеров и объема, уменьшается только плотность древесины. При дальнейшей сушке в результате удаления связанной влаги изменяются линейные размеры и объем древесины. Полная линейная усушка древесины хвойных пород (от предела гигроскопичности 30 % до конечной влажности 12 %) в среднем составляет до 0,3 % вдоль волокон, до 6 % в радиальном направлении и до 12 % - в тангенциальном.

Сушка древесины - важнейший этап в процессе изготовления деревянных конструкций. Неравномерная сушка приводит к деформациям деревянных элементов, появлению радиальных и продольных усушечных трещин. Чем медленнее идет процесс сушки, тем меньше внутренние напряжения, возникающие за счет изменения размеров деревянного элемента, и меньше вероятность появления дефектов. Пиломатериалы для изготовления несущих КДК рекомендуется сушить в две стадии:
1) естественная сушка до влажности 25...30 %;
2) камерная сушка при мягких режимах до стандартной влажности 12 %.

Набухание древесины - процесс, почти обратный усушке, который проявляется при поглощении древесиной влаги, пропитывающей оболочки клеток, и сопровождается увеличением ее линейных размеров и объема.

Объемный вес существенно зависит от влажности древесины. Для сравнимости объемного веса различных пород его определяют при одной и той же влажности, обычно при 12 %. Оказывается, объемный вес древесины одинаковой влажности зависит также от породы, количества годовых слоев, процентного содержания летней древесины и т. д. При расчете конструкций плотность древесины следует принимать в соответствии с табл. 2.2.

Таблица 2.2 Объемный вес древесины