ТехЛиб СПБ УВТ

В строительных конструкциях используется, в основном, древесина хвойных пород (сосна, ель, кедр, пихта, сибирская лиственница), запасы которой составляют 77%. Древесина хвойных пород характеризуется прямослойностью, смолистостью и более стабильными физическими характеристиками. В большей степени в нашей стране используется сосна (20%), а например, в Финляндии — ель, однако наибольшие перспективы имеет использование сибирской лиственницы, которая является самым распространенным деревом на территории России (40%). Древесина сибирской лиственницы очень прочная и плотная, стойкая против загнивания, но трудно обрабатывается и склонна к раскалыванию.

Лиственные породы в строительных конструкциях используются ограниченно, но в условиях дефицита леса их использование может быть экономически оправданно. Береза, запасы которой составляют 13% , в нашей стране является основным сырьем для производства фанеры.

В силу неравномерности распространения лесов и расположения предприятий по лесозаготовке и переработке, больших транспортных расходов, — стоимость лесоматериалов колеблется в больших пределах.

Доля России в торговле лесопродуктами составляет 8 % .

Сравнительные цены некоторых строительных материалов

Различают макро- и микростроение древесины.

Макростроение. Рассмотрим поперечный срез ствола дерева. Центральная часть дерева, служащая для пропуска питательных веществ, называется сердцевинной трубкой или просто сердцевиной. Это наименее прочная и наиболее склонная к загниванию часть дерева. Вокруг сердцевины располагается более тёмная, плотная и просмоленная область, называемая ядром (сосна, кедр, лиственница). В безъядровых породах (ель, осина) – это спелая древесина. Ближе к коре расположена заболонь — менее прочная и менее плотная часть дерева.

 

Макростроение хвойной древесины в поперечнике: 1 – сердцевина; 2 – сердцевинные лучи; 3 – ядро; 4 – пробковый слой; 5 – лубяной слой; 6 – заболонь; 7 – камбий; 8 годичные слои

Выделяют три главных направления, вдоль которых свойства древесины различны: поперечное, тангенциальное и радиальное. Такая анизотропия (три главных ортогональных плоскости) называется ортотропией или ортогональной анизотропией. Однако при выполнении технических расчетов плоских деревянных конструкций различия между тангенциальным и радиальным направлениями не принимаются во внимание, и в древесине выделяют только два направления: вдоль и поперек волокон. В этом случае древесину относят к транстропным или трансверсально (поперечно) изотропным материалам.

 

Ортотропная структура древесины (три ортогональные плоскости): 1 – поперечный (торцовый); 2 – радиальный: 3 – тангенциальный разрезы

На поперечном разрезе хорошо заметны концентрические годичные кольца — прирост древесины за год. Годичное кольцо состоит из двух слоев: ранней (весенней) и поздней (летней) древесины. Широкий и светлый слой – это ранняя древесина (весенний прирост клеток) характеризуется крупными размерами и рыхлой не очень прочной структурой клеток. Слой поздней древесины выделяется темной окраской и более плотной и прочной структурой клеток. Содержание поздней древесины в лесоматериалах для несущих конструкций должно быть не менее 20%. 

Кора — защитный покров ствола дерева, состоящий из внешнего пробкового и внутреннего лубкового слоев. Это своеобразная кожа дерева, предохраняющая его от воздействия внешней среды, а также участвующая в регуляции дыхания.

Луб — непосредственно примыкающий к камбию внутренний слой коры (флоэма), состоящий в основном из живых клеток, выполняющий проводящую функцию орт кроны дерева к его корневой системе.

Камбий — одноклеточный слой живых клеток, поочередно делящихся в сторону заболони и в сторону луба, обеспечивающий рост дерева в толщину.

На поперечном разрезе древесины можно различить концентрические слои прироста, называемые годичными кольцами, которые светлее к поверхности дерева и темнее у центра. Светлая часть древесины называется заболонью, а темная — ядром.

Годичное кольцо — слой древесины, образовавшийся за один год. На радикальном разрезе годичные слои имеют вид продольных и прямых полос, на тангенциальном — извилистых конусообразных линий. Подсчитав годичные кольца, можно узнать, сколько лет прожило дерево.

Заболонь — как, более молодая часть ствола, менее устойчива к загниванию, чем ядро, но более эластична. Ширина заболони колеблется в зависимости от породы, условий произрастания и других факторов. У одних пород ядро образуется на третий год (тис, белая акация), у других — на 30…35-й год (сосна). Поэтому заболонь у тиса узкая, у сосны широкая.

Ядро образуется за счет отмирания живых клеток древесины, закупорки водопроводящих путей, отложения дубильных, красящих веществ, смолы, солей, поэтому, ядро обычно гораздо темнее заболони. В результате этого изменяются цвет древесины, ее масса и показатели механических свойств.. Ядро у многих пород окрашено в более темный цвет, оно является самой ценной, самой прочной частью древесины.

Сердцевидные лучи. На поперечном разрезе некоторых пород хорошо видны невооруженным глазом светлые, часто блестящие, направленные от сердцевины к коре линии — сердцевидные лучи. Сердцевидные лучи имеются у всех пород, но видны лишь у некоторых. Особенно хорошо сердцевинные лучи видны у дуба, бука, платана. Сердцевинные лучи служат для прохода в поперечном направлении по стволу воды, воздуха и органических веществ, вырабатываемых деревом.

Сердцевина находится внутри первого годичного слоя, в центре ствола. Сердцевина находится в центре ствола и проходит по всей его длине. Она представляет собой рыхлую ткань, которая легко разрушается живыми организмами, состоит в основном из живых клеток, образующаяся за счет деления клеток верхушечной образовательной ткани при росте дерева в высоту. Сердцевина не применяется в строительстве деревянных домов.

По имеющимся оценкам, калифорнийские секвойядендроны доживают до 5000 лет, но число действительно подсчитанных у них годичных колец пока не превышает 3200.

Для хвойный пород характерно наличие смоляных ходов, в которых накапливаются экстрактивные, дубильные, эфирные вещества, придающие хвойной древесине неповторимый аромат.

Древесина лесных пород окрашена обычно в светлый цвет. При этом у одних пород вся масса древесины окрашена в один цвет (ольха, береза, граб), а других центральная часть имеет более темную окраску (дуб, лиственница, сосна). Темная часть ствола — ядро, а светлая периферическая — заболонь. У некоторых безъядровых пород наблюдается потемнение центральной части ствола. В этом случае темная центральная зона называют ложным ядром.

В зависимости от относительного содержания влаги и соотношения величины заболони и ядра древесные породы делятся на ядровые, и заболонные.

У ядровых пород заболонь имеет значительное содержание влаги и светлее ядра. Ядровые породы имеют древесину, однородную по цвету. Содержание влаги в ядре меньше, чем в заболони. Заболонные породы отличаются наиболее однородным строением, ядро и заболонь практически неразличимы ни по цвету, ни по содержанию влаги.

Рисунок, который образуют на поверхности деталей из древесины слои, сосуды и сердцевинные лучи, называется текстурой древесины. Такие породы дерева, как, например, орех, дуб, ясень, карельская береза, красное дерево и другие, имеют очень красивую текстуру, которую во время отделки стараются сохранить и сделать более четкой.

Микростроение древесины. Основу хвойной древесины составляют сильно вытянутые вдоль ствола дерева отмершие полые клетки — трахеиды. Стенки клеток многослойные. Они состоят из ориентированных макромолекул целлюлозы (микрофибрилл), находящихся в среде смолообразного вещества (лигнина). Микрофибриллы придают древесине высокую структурную прочность на растяжение вдоль волокон, а лигнин обеспечивает их связность и устойчивость при сжатии.

Микростроение древесной клетки

Именно благодаря уникальности строения клеточной стенки древесина обязана такими свойствами как прочность и гибкость.

Древесина преимущественно состоит из сложных органических соединений. Органические вещества можно представить четырьмя основными группами:

• Целлюлоза
  
• Гемицеллюлозы
  
• Лигнин
• Экстрактивные вещества
  

В состав древесины входит порядка 45-60% целлюлозы, 15-35% лигнина и 15-25% гемицеллюлоз.

Количество экстрактивных веществ в значительной мере зависит от породы и неодинаково в заболони и ядровой древесине.

Содержание минеральных веществ (зольность) древесины обычно значительно меньше 1%. Минеральные вещества преимущественно представлены солями кальция и магния. Стенка клетки имеет сетчатую структуру из взаимосвязанных длинноцепных молекул целлюлозы, наполненную другими углеводородами (гемицеллюлозами), а также лигнином и различными экстрактивными веществами.

Если сравнить древесину с армированным бетоном, то функцию арматуры в древесине исполняет целлюлоза и гемицеллюлоза, а связующим веществом является лигнин.

Элементарный химический состав древесины всех пород практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1-0,3% азота. При сжигании древесины остается ее неорганическая часть — зола (0,1 — 1,0 %). В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых (75 — 90%) не растворима в воде. Среди растворимых веществ преобладают соли щелочных металлов — карбонаты калия и натрия, а из нерастворимых — соли кальция.

Схема химического состава древесины 

Свойства древесины сильно зависят от химического состава. Древесина хвойных пород отличается от лиственных несколько большим содержанием лигнина и, особенно, гексозанов. У древесины лиственных пород среди гемицеллюлоз преобладают пентозаны. Только в составе экстрактивных веществ хвойной древесины содержатся смоляные кислоты. В ранней зоне годичного слоя, целлюлозы меньше, чем в поздней. Целлюлозы, лигнина и экстрактивных веществ в заболони хвойных пород меньше, чем в ядре.

У некоторых лиственных пород (ясень, дуб) содержание целлюлозы в ядре больше, чем в заболони. В древесине ветвей содержание целлюлозы на 3-10% меньше, чем в стволе. Кора по элементному химическому составу мало отличается от древесины, но количество минеральных веществ в ней больше, чем в древесине. Соотношение между основными органическими веществами в коре также иное, чем в древесине, здесь значительно меньше целлюлозы (особенно в корке).

Основным элементом строения древесины хвойных пород являются трахеиды, которые занимают до 95% общего объема древесины ствола. Трахеиды представляют собой вытянутые вдоль ствола пустотелые отмершие клетки, проводящие воду от корней к кроне; они придают древесине механическую прочность. Длина трахеид от 2 до 5 мм, ширина 30 — 70 µ, толщина стенок трахеид в ранней части годичного слоя 2 — 3 µ, в поздней 5 — 7 µ, что определяет значительно большую прочность поздней древесины по сравнению с ранней. Другим структурным элементом являются сердцевинные лучи, которые в хвойных породах занимают около 7%, в лиственных — 18% полного объема древесины. Клетки их имеют радиальное направление.

 

Микроструктура древесины хвойной породы:
тр. — трахеиды; о.п. — окаймленные поры; в.с.х. — вертикальный смоляной ход; с.л. — сердцевинный луч; г.с. — годичный слой; р.д. — ранняя (весенняя) древесина; п.д. — поздняя (летняя) древесина

Для строения древесины лиственных пород характерно наличие водопроводящих клеток-сосудов и клеток либриформа (древесные волокна); последние занимают до 75% всего объема древесины, имеют толстые стенки и придают прочность стволу.

Схема строения клеточной оболочки:
а — поперечный разрез клетки; б — разрез по стенке клетки (по D-D); в — вид на оболочку сбоку  расположение фибрилл в разных слоях толщиной по 0,5 μ; 1-межклеточное вещество; 2-первичный слой; 3- вторичный слой; 4-третичный слой

 Оболочка (стенка) клетки состоит из трех основных слоев: наружного тонкого первичного слоя, окруженного межклеточным веществом, вторичного слоя, имеющего большую толщину и массивность, и внутреннего третичного тоже тонкого слоя.

Первичный и вторичный слои построены главным образом из целлюлозы, но в них содержится и лигнин; целлюлоза и лигнин представляют в них как бы две взаимно проникающие системы. В третичном слое лигнина нет.

Механическая прочность ствола определяется строением древесины и наличием массивного вторичного слоя. Вторичный слой в свою очередь состоит из ряда концентрических слоев: более плотных (светлых) и менее плотных (темных). Предполагают, что в более светлых слоях преобладает целлюлоза, а в более темных — лигнин. Каждый из вторичных слоев состоит из тончайших нитей — фибрилл, расположенных спиралеобразно (под углом 0 — 30°) вдоль оси волокна. В наружных слоях направление фибрилл почти перпендикулярно оси волокна. Фибриллы состоят из определенных групп макромолекул.

Спиральное строение вторичных слоев, подобное строению стального троса или витого пенькового каната, определяет, по-видимому, значительную прочность их на растяжение.

Таким образом, древесина имеет трубчато-волокнистое строение и характеризуется неоднородностью и анизотропией свойств, которые и определяют высокую прочность древесины вдоль волокон и низкую — поперек волокон и на сдвиг.

В состав древесины входят углерод (С), водород (Н), кислород (О) и немного азота (N). Независимо от породы в абсолютно сухой древесине в среднем содержится 49,5% углерода, 6,3% водорода и 44,2% кислорода (вместе с ̴ 0,12% азота). Кроме органических веществ, в состав древесины в незначительном количестве входит ряд минеральных веществ. Входящие в состав древесины химические элементы образуют сложные органические вещества, часть которых составляет клеточную оболочку: целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы, а другая часть содержится в полостях клеток: дубильные, красящие вещества, смолы, эфирные масла. В среднем можно принять, что в древесине хвойных пород содержится 48 — 56% целлюлозы, 26 — 30% лигнина и 23 — 26% гемицеллюлоз. Древесина лиственных пород содержит несколько меньше целлюлозы и лигнина и больше гемицеллюлоз. Таким образом, основными химическими элементами древесины являются целлюлоза, ее производные и лигнин.

Целлюлоза состоит из длинных цепных молекул. Существуют две теории строения целлюлозы: мицеллярная теория и теория аморфного строения. Мицеллы представляют собой пучок правильно расположенных, параллельных друг другу цепных молекул и имеют форму и свойства кристаллов. Мицеллы группируются в мицеллярные ряды, которые состоят из кристаллических участков (мицелл), чередующихся с участками аморфного вещества между ними. Современная мицеллярная теория предполагает существование в целлюлозе не только кристаллических областей, но и аморфных. Теория аморфного строения целлюлозы отвергает наличие мицелл и предполагает дезориентированное расположение цепей. Проведенные в последнее время с помощью электронного микроскопа исследования природного волокна рами показали, что в природной целлюлозе этой породы имеются геометрически упорядоченные области с микрокристаллическим строением.

Древесные волокна располагаются концентрическими слоями вокруг оси ствола, которые называют годичными слоями потому, что каждый слой нарастает в течение года. Они хорошо заметны в виде ряда колец на поперечных разрезах стволов, особенно хвойных деревьев, и по их количеству можно определить возраст дерева. Каждый годичный слой состоит из двух частей. Внутренний более широкий и светлый слой состоит из мягкой ранней древесины, образующейся весной, когда дерево растет быстро. Клетки ранней древесины имеют более тонкие стенки и широкие полости. Наружный узкий темный слой состоит из более твердой поздней древесины, образующейся летом. Клетки поздней древесины имеют более толстые стенки и узкие полости. Плотность и прочность древесины зависят от относительного содержания в ней поздней древесины, которое у сосны, например, колеблется от 10 до 30% .

Средняя часть стволов сосны, кедра и лиственницы имеет более темный цвет, содержит больше смолы и называется ядром. Средняя часть стволов ели и пихты содержит меньше воды и состоит из так называемой спелой древесины. Кроме этих основных частей в древесине имеются горизонтальные сердцевинные лучи, мягкая сердцевина, смоляные ходы, сучки, и снаружи она покрыта мягкой корой.

Качество лесоматериалов определяется в основном степенью однородности строения древесины, от которой зависит ее прочность.

Неоднородность строения древесины возникает в процессе роста дерева, хранения лесоматериалов на складах, сушки, обработки и в процессе эксплуатации конструкций. Степень однородности древесины определяется размерами и количеством участков, где однородность ее строения нарушена и прочность снижена. Такие участки называют пороками. Основными недопустимыми пороками древесины являются гниль, червоточина и трещины в зонах скалывания в соединениях.

Наиболее распространенными и неизбежными пороками древесины являются сучки — заросшие остатки бывших ветвей дерева. Основные волокна древесины ствола, ранее образовавшие сучок, затем обходят его, отклоняясь в этом месте от своего продольного направления и образуя так называемый завиток. Сучки являются допускаемыми, но строго ограничиваемыми пороками.

Наклон волокон (прежний косослой) относительно оси элемента тоже является распространенным и допускаемым с ограничениями пороком. Он образуется в результате природного винтообразного расположения волокон в стволе, а также при распиловке бревен в результате их сбега. Трещины, возникающие при высыхании древесины, тоже относятся к числу ограниченно допускаемых пороков. К порокам относятся также мягкая сердцевина, выпадающие сучки и другие менее распространенные нарушения однородности строения древесины.

Качество лесоматериалов определяется сортом (отборным, I, II, III и IV), устанавливаемым в зависимости от вида, величины, расположения и количества пороков. Однако такая общая классификация не полностью учитывает действительное влияние пороков на работу элементов деревянных конструкций при различных видах напряженного состояния. Поэтому все элементы деревянных конструкций разделяются на три категории качества — I, II и III, каждая из которых содержит свои ограничения по порокам, указанные в табл. 3 и 4 СНиП.

Категория I включает наиболее ответственные и напряженные растянутые элементы. Их прочность больше всего зависит от пороков древесины. Это отдельные растянутые стержни и доски растянутых зон клееных балок высотой сечения более 50 см. В них сумма поперечных размеров сучков в сечении не должна превышать ширины или диаметра элемента, а наклон волокон должен быть не более 7% в пиломатериале и 10% в бревне.

Категория II включает сжатые и изгибаемые элементы. Их прочность меньше зависит от пороков, поскольку при изгибе и потере устойчивости максимальные напряжения действуют только в крайних зонах сечений. Это отдельные сжатые стержни, доски-крайних зон клееных балок высотой менее 50 см, доски крайней сжатой зоны и растянутой зоны, расположенной выше досок I категории в клееных балках высотой более 50 см, и доски крайних зон прочих клееных сжатых, изгибаемых и сжато-изгибаемых стержней. В них сумма поперечных размеров сучков, в сечении не должна превышать ¹/з ширины элемента или диаметра, а наклон волокон должен быть не более 10% в пиломатериалах и 15% в бревне.

Категория III включает доски менее напряженных средних клееных сжатых, изгибаемых и сжато-изгибаемых элементов, а также мало ответственные элементы настилов и обрешеток, от которых не зависит прочность конструкции в целом. В них сумма поперечных размеров сучков не должна превышать 1/2 ширины сечения, а наклон волокон не должен превосходить 15%.

Зоны по высоте клееных балок принимаются равными не менее 0,17 высоты сечения и не менее высоты двух досок. Размеры сучков поперек волокон суммируются на длине 20 см. Более подробно ограничения пороков по категориям элементов указаны в упомянутых таблицах норм.

Лесоматериалы и сортамент пиломатериалов. Исходным лесоматериалом является круглый лес — бревно. Спиленное дерево без сучьев называется хлыстом. В хлысте выделяют деловую и дровяную части. Деловую часть распиливают на бревна («первое» бревно по своим свойствам является лучшим), в свою очередь бревна делят на кряжи (например, фанерный кряж, именуемый также чураком). Бревна диаметром 6-13 см называются подтоварником, а менее 6 см — жердями. Максимальная длина бревна по стандарту — 6.5 метров. В современном строительстве круглый лес не утратил своего значения. Ряд предприятий производит промышленно изготовленные оцилиндрованные бревна для производства малоэтажных домов (фирмы Маркон, Wolf, Honka), и эти дома, несмотря на более высокую стоимость (от 700 $/м²) пользуются большой популярностью.

В результате продольной распиловки бревен на пилорамах получают пиломатериалы: доски, брусья и бруски. В зависимости от преимущественной ориентации волокон различают доски радиальной или тангенциальной распиловки (первые меньше коробятся, а вторые имеют более красивую поверхность).

На пиломатериалах различают кромку, пласть, ребро и торец. Обрезные материалы выпускают длиной до 6.5 м. Градация размеров по ширине — 25 мм (75, 100, 125, 150,…275), причем ширина доски свыше 150 мм считается дефицитной и более дорогой. Размеры по толщине: 16, 19, 22, 25, 32, 40, 44, 50 мм (ГОСТ 24454-80). Приведенные размеры являются номинальными и они даны для воздушно-сухой древесины с влажностью W=20%.

Для клееных деревянных конструкций пиломатериал должен быть сухим (рекомендуется сочетание атмосферной и камерной сушки с достижением влажности W=10-12%), а также фрезерованным с учетом требований шероховатости к поверхности (не ниже класса 6 (500мкм) по ГОСТ 7016) и с учетом припусков на усушку и строгание до правильной формы.

Лесные материалы: а – круглые; б – пиленные; 1 – бревно; 2 – торец; 3 – пластина; 4 – подтоварник; 5 – пласть; 6 – кромка; 7 – брус; 8 – Доска толстая; 9 – доска тонкая; 10 – брусок

Лесоматериалы, получаемые строительством, делят­ся на круглые и пиленые. Круглые лесоматериалы — бревна — представляют собой части древесных стволов с гладко опиленными концами — торцами, очищенных от сучьев. Их стандарт­ные длины 4,0; 5,0; 5,5; 6,0 и 6,5 м. Более длинные брев­на выпиливают только для опор линий электропередачи и связи, а также по особым заказам. Бревна имеют естественную усеченно-коническую форму. Уменьшение их толщины по длине называется сбегом. В среднем сбег составляет 0,8 см на 1 м длины бревна.

Толщина бревна определяется диаметром его тонкого верхнего торца d. Средние бревна имеют толщину 14 — 24 см, а крупные — 26 см и более с градацией размеров через 2 см. Толщина бревна в середине его длины L с учетом сбега может быть определена из выражения d_cp = d+0,4l.

Бревна толщиной 13 см и менее называют также подтоварником и применяют их для временных построечных сооруже­ний. Круглые лесоматериалы используют в основном при построечном изготовлении деревянных конструкций.

Лесоматериалы: 1 — бревно; 2 — пластина; 3 — сбег (уменьшение диаметра) бревна; 4 — лежень; 5-полуобрезной брус; 6 — образной брус; 7 — брусок; 8 — тонкая доска; 9 —толстая доска

Пиленые лесоматериалы — пиломатериалы — полу­чают в результате продольной распиловки бревен на ле­сопильных рамах или круглопильных станках. Они име­ют прямоугольное или квадратное сечение. Более широ­кие стороны пиломатериалов называют пластями, а узкие — кромками.

Пиломатериалы с поверхностями, опиленными по всей длине, называют обрезными. Если часть поверхности не опилена в результате сбега бревна, материал называют обрезными. Если не опилены две поверхности пиломатериала при однократной распилов­ке бревна, его называют обзольным.

Пиломатериалы имеют стандартные длины 1—6,5 м с градацией размеров через каждые 0,25 м. Их разделяют на доски, бруски и брусья. Рекомендуемые для несущих конструкций доски имеют ширину 60—250 мм, а толщину 11 —100 мм; бруски — ширину 100—175 мм, а толщину 50—100 мм. Ширина брусьев не превышает полуторной толщины. Их толщина и ширина составляют 125—250 мм. Практиче­ски пиломатериалы шириной или толщиной более 150 мм в центральных районах страны являются дефицитными, поэтому применяются ограниченно. Деревянные конст­рукции и строительные детали изготовляют, как правило, из пиломатериалов.