Древесина как конструкционный материал

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая характеристика древесины

2. Заготовка леса

3. Строение дерева

4. Структура дерева и его свойства

Заключение

Перечень использованной литературы

Введение

Огромные пространства нашей планеты покрывают леса, они занимают около одной трети суши. Основным продуктом леса является древесина. По типу лесной растительности различают хвойные леса теплого умеренного климата, экваториальные дождевые леса, тропические влажные лиственные леса, леса сухих областей.

Объем переработки древесины, постоянно растет, увеличивается выработка и переработка пиломатериалов. Потребление пилопродукции будет увеличиваться для производственных и бытовых нужд, в строительстве конструкций разной сложности и размеров, на ремонтных и эксплуатационных работах, в производстве мебели, тары и упаковки.

Многообразное использование древесины объясняется редкостным сочетанием в ней многих ценных свойств.

Немалую роль при оценке древесины как материала будущего играют ее неповторимые эстетические свойства. Даже отработанная древесина имеет преимущество перед другими материалами, легко поддаваясь биологическому разложению и не загрязняя окружающую среду.

1. Общая характеристика древесины

Древесина представляет собой прочный и одновременно легкий материал, обладающий хорошими теплоизоляционными свойствами, способностью без разрушения поглощать работу при ударных нагрузках, гасить вибрации. Она легко обрабатывается режущими инструментами, склеивается, удерживает металлические и другие крепления. Древесина используется после переработки в виде пиломатериалов, целлюлозы, фанеры, бумаги, картона, древесноволокнистых и древесностружечных плит.

Древесина - прекрасный конструкционный материал, и она находит применение в машиностроении. Из древесины изготовляют шпалы, мебель и спички, музыкальные инструменты, тару и спортивный инвентарь. Она является исходным сырьем для получения путем химической переработки кордных волокон для шинной промышленности, вискозного волокна, кормовых дрожжей, лекарственных препаратов и др.

За последние годы на рынке загородного домостроения появилось много новых материалов и технологий. Тем не менее, дома из дерева продолжают оставаться наиболее популярными среди индивидуальных застройщиков. Во многом эта популярность объясняется тем, что в нашей стране лес является наиболее дешевым строительным материалом. Кроме того, именно в дереве можно воплотить архитектурные особенности и художественные образы, продиктованные национальными традициями русского зодчества. Безусловно, большое значение имеет естественное природное происхождение, которое и определяет экологическую чистоту деревянных строений, хорошую воздухопроницаемость. Наконец, дерево - отличный теплоизолятор. Это позволяет поддерживать внутри рубленого дома оптимальное соотношение температуры и влажности. В деревянном доме легко дышится, приятно и комфортно в любую погоду.

Наши предки весьма тщательно относились к выбору и подготовке древесины для сруба. Отбирали только спелую, здоровую древесину, без гнили и червоточин, примерно одинаковой толщины, с ровной поверхностью. Строительный лес заготавливали обычно зимой или в начале весны, «пока дерево спит, и лишняя вода в землю ушла».

Древесину вывозили из леса и сразу же очищали от коры. Известно, что свежерубленная древесина в зимний период имеет влажность 30%. Но для изготовления сруба пригодна подсушенная древесина (18-20 процентной влажности). Чтобы получить такую древесину, ее выдерживали под навесом. Бревна укладывали в штабеля на подкладки, чтобы обеспечить сквозное проветривание. Кору, опилки и прочие отходы сжигали, чтобы обезопасить заготовленные бревна от жука-древоеда.

2. Заготовка леса

древесина домостроение дерево ствол

Сегодня лес заготавливают примерно так же, по всем правилам традиционного деревянного домостроения.

Для изготовления рубленых домов обычно применяют лесные материалы хвойных пород: сосну, ель, лиственницу, кедр и пихту. Древесина хвойных пород превосходит по прочности древесину большинства распространенных лиственных пород и меньше подвержена загниванию. Стволы хвойных пород имеют более правильную форму, что позволяет полнее использовать их объем.

Сосна отличается наибольшей прямизной ствола, минимальным количеством сучков и хорошими техническими свойствами. При высокой стойкости к загниванию тем не менее имеет тенденцию к «посинению» (при повышенной влажности, особенно в июле-августе). Синева сама по себе не изменяет физико-механических свойств древесины, но портит внешний вид. Сосна является самым распространенным материалом для строительства деревянных домов, как у нас, так и в Европе.

Ель реже используется в строительстве. В сухом состоянии древесина ели по прочности почти не уступает древесине сосны. Ель более подвержена загниванию, но значительно меньше синеет. Она хуже других древесных пород сопротивляется влаге, поэтому ее предпочтительнее использовать для внутренней отделки. Ель имеет немного более рыхлую структуру, но за счет этого несколько теплее, чем сосна. Хотя ее потребительские свойства несколько хуже подходят для изготовления рубленых стен ввиду меньшей плотности и меньшего содержания смол, тем не менее, еловый лес может быть рекомендован для изготовления несущих элементов перекрытий (балки, слеги). На мировом рынке ель котируется выше сосны. Для хвойной породы ель недолговечна - редко растет более 200 лет.

Лиственница прочнее, плотнее и более стойка против загнивания, чем сосна, но труднее обрабатывается и легко раскалывается. Она идеально подходит в качестве стенового материала, используется как материал для конструкций (балки, ендовы, стропила, затяжки и т. п.). Лиственница более устойчива к сырости, ценится очень высоко, в 2-3 раза дороже сосны. Лиственница - единственное дерево, не гниющее в морской воде.

Для изготовления сруба применяется лес диаметром от 26 см до 40 см, а иногда и выше. Выбор диаметра бревна зависит от желания и финансовых возможностей заказчика, от климатических условий и сезонности эксплуатации дома; а также от требований к внешней эстетике рубленого дома.

Кроме толщины бревен, немаловажным эстетическим показателем к использованию бревна является его сучковатость.

В России наиболее распространенным является круглый профиль бревна, так называемый кругляк, кроме этого, можно использовать кругляк с протесом, то есть протесанное на один кант с внутренней стороны бревно. Но следует иметь в виду, что это очень трудоемкая работа, ведущая к удорожанию стоимости сруба.

Первая операция по подготовке бревна к изготовлению сруба - его окорка и острожка. Очистка бревна от коры, как правило, выполняется без применения механизированного инструмента. Острожка, наоборот, делается при помощи электрических рубанков. В настоящий момент осваивается технология окорки бревен без повреждения заболони и без последующей острожки. Заболонь - верхний, наиболее плотный слой дерева, который выполняет защитную функцию. Сохранение этого слоя позволяет снизить образование трещин и избежать других дефектов древесины. Чаще всего при окорке на бревне остаются небольшие участки луба при незначительных повреждениях древесины. После высыхания луб темнеет, и бревно приобретает характерную для не строганных бревен пегую окраску. Некоторые заказчики отказываются от острожки бревен ради этой характерной окраски и во избежание повреждения волокнистой структуры дерева. Однако следует помнить, что луб наиболее подвержен гниению, поэтому в большинстве случаев бревно остругивают.

Для предохранения древесины от гниения вся поверхность бревна обрабатывается тонким слоем антисептика. А торцы бревен, чашки, паз, пропилы, штробы и места протески пропитываются наиболее тщательно, так как там нарушена волокнистая структура древесины. При помощи антисептика бревнам можно придать цветовой оттенок по выбору заказчика.

3. Строение дерева

Существует три основных вида разреза ствола: поперечный (торцевой), радиальный и тангентальный. Поперечный разрез проходит перпендикулярно оси ствола и образует торцевую плоскость. Радиальный разрез -- продольный, проходит по центру ствола дерева. Тангентальный разрез идёт вдоль ствола дерева, но удален от сердцевины на некоторое расстояние.

Древесина, получаемая при указанных разрезах, имеет различный вид и тип рисунка и отличается качествами и свойствами.

На поперечных разрезах хорошо просматривается строение древесины и отчетливо видны все ее составные части. Кора покрывает дерево сплошным ковром и является его оболочкой. Кора состоит из наружного пробкового слоя и внутри луб. Пробковый слой оберегает дерево от внешних факторов, среды и механических повреждений; луб служит проводником сокодвижения. Кора бывает различной по виду и цвету. Ее применяют для дубления кож, получения химических веществ, также применятеся как сырьё для изготовления лекарственных препаратов, и дегтя. Из пробкового слоя делают поплавки, пробки, теплоизоляционные и строительные плиты; из луба делают мочало, рогожи, веревки и т.д.

Камбий -- тонкий слой живых клеток дерева, расположен между корой и древесиной. В камбии когда растёт дерево происходит образование новых клеток, благодаря чему древесина становится больше на одно кольцо. Древесина с такими кольцами составляет основу дерева и является материалом для деревообрабатывающей промышленности.

Годичные кольца располагаются концентрическими кругами от центра ствола дерева от узкой рыхлой сердцевины, ближе к краю коре.

У некоторых пород в центре дерева бывает более темная окраска. Данная часть ствола называется ядром, а более светлую периферическую называю заболонью. Такие породы называются ядровыми, например, дуб, ясень, сосна, лиственница и многие другие.

Есть некоторые породы дерева, у которых невидно разницы между периферической и центральной частью ствола, их называют безъядровыми. Такие породы делятся на спело-древесные и заболонные. У спелодревесных пород глубокие расположенные ближе к центральной части, слои разнятся по цвету от молодых, но имеют одинаковые свойства и строение. К данным породам относятся липа, пихта, ель и др.

Сердцевинные лучи имеют все древесные породы. У одних они слабо заметны, у других -- ярко выражены и имеют различную окраску. Сердцевинные лучи хорошо просматриваются на поперечном разрезе в виде светлых блестящих линий, направленных от сердцевины к коре. Они служат для проведения воздуха, воды и питательных веществ в горизонтальном направлении. Сердцевинные лучи создают красивый рисунок и дополняют декоративные качества текстуры древесины.

Рис. 1 Основные разрезы ствола: 1 -- поперечный (торцевой); 2 -- радиальный; 3 -- тангентальный Строение древесины: 1 -- сердцевина; 2 -- сердцевинные лучи; 3 -- ядро; 4 -- заболонь;

5 -- годичные кольца; 6 -- камбий; 7 -- лубяной слой; 8 -- кора

4. Структура дерева и его свойства

Для дерева характерны волокнистая структура, анизотропия и неоднородность. Структура дерева предопределяет его физические и механические свойства.

- Волокнистая структура дерева

Дерево образуют линейные волокна целлюлозы и волокна гемицеллюлозы, ветвящиеся в пространстве сетей макромолекул лигнина. Они размещены в стенках клеток разного типа, которые имеют преимущественно волокнистую форму и в большинстве случаев расположены продольно стволу. Клетки, которые укрепляют жесткость дерева, выпoлняют несущую функцию. Это так называемые древесные волокна. На свойства дерева значительно влияют толщина и строение клеточных стенок отдельных древесных волокон, а также их объем и положение в структуре дерева.

- Анизотропия дерева

Это природное качество дерева сказывается на различных прочностных, влажностных и других его свойствах. Дерево изменяет их в зависимости от направления своих волокон. Древесину можно обрабатывать: параллельно волокнам (вдоль ствола) и перпендикулярно волокнам - в радиальном направлении по отношению к годичным кольцам и в тангенциальном направлении.

В строительной практике у конструктивных элементов, как правило, различают только направление вдоль волокон и поперек волокон.

- Неоднородность дерева

Это свойство продиктовано неравномерным макроскопическим строением дерева, связанным с шириной годичных колец. Речь идет о так называемых естественных дефектах: сучьях, смоляных кармашках, отклонении волокон и т.п. Из-за неоднородности дерева существуют относительно более широкие различия в его свойствах по сравнению с металлами, пластмассами или многими минеральными веществами.

- Прочностные свойства дерева

При напряжении дерева на изгиб или растяжении параллельно волокнам соотношение его прочности и массы сравнимо с показателями алюминиевых сплавов, т. е. значительно лучше, чем у стали. Прочность дерева на растяжение перпендикулярно волокнам и на скалывание параллельно волокнам, однако, сравнительно низка.

- Реологические свойства дерева

На устойчивость дерева к деформации влияет продолжительность нагрузки. Реологические свойства дерева нагляднее всего проявляются при напряжении на изгиб и при изменении уровня влажности и перепадах температуры. Дерево хорошо противостоит кратковременному воздействию и легко восстанавливается после разовых нагрузок.

- Обрабатываемость дерева

По сравнению с другими конструктивными материалами дерево чрезвычайно удобно для обработки, причем как простыми ручными инструментами, таки промышленными методами.

- Влажностные свойства дерева

Влажностью называется доля массы воды, которую содержит дерево, выраженная в процентах (абсолютная и относительная влажность). У влажного дерева различают так называемую свободную воду, которая находится в клетках и межклеточных пространствах, и связанную воду, содержащуюся в стенках клеток. При высыхании прежде всего испаряется свободная вода, причем изменение объема свободной воды практически не влияет на механические свойства и на размеры деревянных элементов.

Состояние, при котором дерево теоретически не содержит свободной воды, а клеточные стенки имеют при этом максимальную влажность, называется точкой насыщения волокон, у большей части древесины она составляет обычно от 25 до 30 % влажности дерева. Снижение влажности дерева ниже точки насыщения волокон сопровождается изменением его объема. Изменение размеров при уменьшении влажности определяется как усыхание дерева, и, наоборот, увеличение размеров в результате набора влаги - как набухание.

Благодаря анизотропной структуре дерева влажностные деформации различны в разных направлениях к волокнам и годичным кольцам и зависят также от плотности дерева.

На практике следует учитывать прежде всего деформации в направлении, перпендикулярном волокнам. Такие изменения влажности дерева оказывают большое влияние на его прочность и размеры (при снижении влажности прочность в целом повышается, но дерево усыхает). Вот почему правильная оценка климатических условий в месте строительства деревянных домов - важное условие обеспечения долговечности и постоянства формы деревянных элементов.

Эксплуатационная влажность дерева должна быть несколько выше, чем спроектированная равновесная влажность (приблизительно на 2 %), чтобы изделия не усыхали, что особенно опасно в соединительных элементах, поскольку при водит к их ослаблению.

- Соединение частей дерева

Взаимная связь деревянных элементов конструкции или их соединение с другими материалами осуществляется с помощью гвоздей, болтов, штифтов, скоб, винтов, стыковых плит либо клеевых соединений.

- Долговечность дерева

Дерево - органический материал, который может быть испорчен биологическими вредителями (гнилью, плесневым грибком, насекомыми). При правильном конструктивном решении и использовании химической защиты долговечность деревянных элементов в сооружениях чрезвычайно высока.

- Горючесть дерева

Натуральное, не обработанное специальными составами дерево обладает хорошей горючестью, однако конструкции, плотно сложенные из элементов с массивными сечениями, становятся пожароустойчивыми.

Заключение

Дерево -- отличный строительный и поделочный материал. Оно обладает целым рядом достоинств: весьма прочно и упруго, имеет сравнительно небольшой удельный вес, его можно легко резать, колоть, пилить, склеивать и красить. К тому же, этот строительный материал прекрасно позволит реализовать множество архитектурных замыслов. Вместе с тем дерево не лишено и недостатков, главными из которых являются способность к гниению и воспламеняемость. Впрочем, эти недостатки легко устранимы -- современная химическая промышленность выпускает множество различных средств для защиты древесины.

Все породы дерева пригодны для строительных работ, но одни подходят лучше, другие -- хуже. Работа с деревом требует определенных знаний его свойств, качеств и области применения.

Перечень использованной литературы

1. БарташевичА.А., Бахар Л.М. Материаловедение: Учебное пособие.-Изд. 2-е.-Ростов-на-Дону: Феникс, 2005.-348с.

2. Давыдова И.С., Максина Е.Л., Материаловедение : Учебное пособие. - М.:Изд-во РИОР, 2006. - 240с.

3. Михайличенко А.Л., Сметанин И.С. Древесиноведение и лесное товароведение. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 224 с.

4. Москалева В.Е. Строение древесины и его изменение при физических и механических воздействиях. - М.: Высшая школа, 1989. - 165 с.

5. Полубояринов О.И. Плотность древесины. - М.: Лесная промышленность, 1986. - 160 с.

6. Соболев Ю.С. Древесина как конструкционный материал. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 248 с.

7. Несветаев Г. В. Строительные материалы: Учебное пособие. - Ростов-на Дону. - Феникс, 2005. -603с.

Размещено на Allbest.ru