Классификация древесины

Твердые породы древесины

Для определения твердости материалов (в том числе древесины) используют различные методы. Для определения твердости чаще всего проводят испытания по методам Бринелля и Роквелла.

По методу Бриннеля в материал под нагрузкой вдавливают стальной шарик, затем измеряют глубину вдавливания. После этого по формулам вычисляют твердость в единицах, обозначаемых НВ.

При изучении твердости по Роквеллу в материал вдавливается также стальной шарик или (для наиболее твердых материалов) алмазный конус. Твердость, в зависимости от используемой шкалы измерений, обозначается как HRA, HRB и HRC.

По результатам измерений составлен перечень видов древесины по твердости. Ниже приводится перечень пород древесины, от более твердых до самых мягких (по Бринеллю).

Ятоба

Это тропическое дерево имеет очень прочную древесину, ее твердость равна 7НВ. Родина ятобы – влажные тропики Южной и Центральной Америки. Древесина достаточно светлая, сероватая в заболони. Сердцевина имеет красный, красно-коричневый или темный оранжевый цвет, в нем наблюдается желтая, оранжевая и красная полосчатость. Распил дерева темнеет в течение 6 -7 дней и становится кирпично-красным. Ятобу называют «бразильской» или «южноамериканской вишней».

Высота зрелого дерева достигает 40 метров. Древесина идет на изготовления мебели, напольной и паркетной доски. Из ятобы делают элементы декоративной отделки интерьера.

Сукупира

Твердость древесины равна 5.6НВ. Сукупира растет только в тропических лесах Амазонии. Высота зрелого дерева достигает 30 метров. Ядро ствола состоит из красно-коричневой «тусклой» древесины. Внешняя часть, заболонь, более светлая, белесая. В распиле ясно видны желтые полосы паренхимной материи. Текстура сукупиры своеобразна и отличается от структур других пород древесины. Она красива, а маслянистые вещества, содержащиеся в древесине, делают ее устойчивой к разрушению жуками древоточцами и грибами. Используется сукупира для изготовления напольной доски, паркетной доски и мебели. Древесина с трудом поддается распиловке, но хорошо принимает шлифовку и полировку.

Мутения

Твердость древесины мутении — 5НВ.

Это дерево растет во влажных тропиках Западной Африки. Оно вырастает 60 м в высоту. Древесина мутении коричневая, как у грецкого ореха, оливковая с коричневатым оттенком. Особенную красоту материалу придают «лучи» фиолетового цвета. По структуре древесина мутении похожа на древесину тика.

Мутения используется для изготовления напольной доски, мебели и элементов внутренней отделки зданий.

Наиболее популярные породы

Несколько слов об основных породах древесины, которые чаще всего используются в производстве.

Береза

Древесина березы обладает высокими механическими свойствами. Очень хорошо обрабатывается на токарном станке по дереву. Горит даже во влажном состоянии. Применяется в мебельной, бумажной и деревообрабатывающей промышленности.

Средней твердости и тяжелая. Из нее делают фанеру, ковровые покрытия, мебель. Она также используется для сухой дистилляции и для производства древесного угля.

Бук

Древесина бука твердая и тяжелая. Более подробную информацию можно почерпнуть из таблицы пород древесины. Это отличный мебельный материал, он также подходит для паркета, фанеры и ДСП. Он используется для производства бочек, ящиков, инструментов, деталей машин, спортивного инвентаря и многих предметов повседневного обихода.

Химическая промышленность производит из бука бумагу, древесный уксус, древесный уголь и дегтярное масло. Подходит для токарной обработки.

Дуб

Относительно тяжелая и твердая древесина дуба обычно используется для изготовления столярных изделий и мебели. Благодаря своей стойкости к истиранию он идеально подходит для изготовления доски для пола.

Со временем изделия из дуба естественным образом темнеют от воды, а из-за содержания дубильных веществ легко вступают в реакцию с химическими веществами, особенно с красками (солями, кислотами, щелочами).

Дуб при сильных морозах трескается из-за высоких внутренних напряжений. Эта древесина идеально подходит для внутренних столярных работ, но очень рискованна для наружных работ, особенно окон и дверей.

Ясень

Древесина ясеня твердая, гибкая и тяжелая, используется в столярных работах, производстве мебели и скрипок. Темный ясень тверже и долговечнее дуба. Доступно 16 оттенков дерева. Чем темнее древесина, тем она тверже.

Сосна

Древесина сосны проста в обработке, эластична и обладает хорошей механической прочностью. Раньше она использовалась в качестве материала для столбов в энергетике или железнодорожных шпал.

Упругость древесины

Упругостью древесины называется ее способность изменять (в известных пределах) свою форму под действием внешнего усилия и возвращаться к первоначальной форме после прекращения этого воздействия.

Упругость древесины — способность возвращаться к первоначальной форме после прекращения воздействия нагрузки

При кратковременной растягивающей нагрузке вдоль волокон древесина до определенного предела ведет себя практически совершенно упруго, в ней возникают преимущественно упругие деформации. То есть, деформация, вызванная растяжением, исчезает, как только снимается нагрузка.

Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности – модуль упругости Е – гипотетическое напряжение в Н/мм2, при котором длина испытываемого стержня увеличивается вдвое. Модуль упругости Е может колебаться в значительных пределах даже для одних и тех же пород древесины. Заметное влияние на него оказывает влажность.

Модуль упругости при растяжении и сжатии фактически одинаков, так же, как и при изгибе.  

Древесина	Расчетная величина Е вдоль волокон, Н/мм2 (кг/см2 )
Европейская хвойная	10000 (100000)
Дуб, бук	12500 (125000)

При действия усилия под углом к направлению волокон, по мере увеличения угла, модуль упругости Е уменьшается. При усилиях, действующих поперек волокон, деформации из-за трубчатого строения клеток значительно больше, чем при действии вдоль волокон, а значит, значительно уменьшается модуль упругости.  Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

В строительной практике устанавливается средняя величина модуля упругости Е в направлении поперек волокон, которая для хвойных пород равна 300 МПа (Н/мм2), а для лиственных – 600 МПа (Н/мм2).  Следовательно, модуль упругости вдоль волокон примерно в 20 раз больше, чем поперек. 

Проектировщику модуль упругости Е древесины необходимо знать при расчете конструкций по второй группе предельных состояний — состояний, при которых нарушается нормальная эксплуатация сооружений, конструкций или исчерпывается ресурс их долговечности вследствие появления недопустимых деформаций (прогибов, трещин), колебаний и иных нарушений, требующих временной приостановки эксплуатации сооружения и выполнения его ремонта. То есть, вторая группа определяется непригодностью конструкций к нормальной эксплуатации. 

Возможны случаи, когда конструкция не потеряла несущую способность, т.е. удовлетворяет требованиям первой группы предельных состояний, но ее деформации, например, прогибы таковы, что нарушают технологический процесс или нормальные условия нахождения людей в помещении. 

При расчете по второй группе предельных состояний определяется максимальный прогиб f_max в элементе конструкции. Как правило, это однопролетная разрезная балка постоянного сечения. Максимальный прогиб зависит от того, чем нагружена балка (сосредоточенной силой Q, распределенной нагрузкой q или моментом M), и от того, какие опоры на концах балки (подвижный или неподвижный шарнир, жесткая заделка или свободный конец), то есть, от расчетной схемы балки. 

Значение максимального прогиба f_max для каждого конкретно случая  можно найти в любом справочнике по строительным конструкциям. Если под рукой нет такого справочника, то значение прогиба можно рассчитать по универсальной формуле, найдя предварительно нормативное значение максимального момента М_н:

f_max = M_нl2/ 10EJ_x     

где:   

Мн — нормативное значение максимального изгибающего момента;

l — пролет балки (расстояние между опорами);

J_x — момент инерции сечения, для прямоугольного сечения равен bh3/12;

Е — модуль упругости материала конструкции.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок.  

Упругие свойства древесины поперек волокон используются главным образом в сочетании с другим свойством, с его вязкостью – способностью дерева держать гвозди, костыли, шурупы. И это ценное качество дерева не удается воспроизвести ни в одном из современных материалов. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдергиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон.

С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдергивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдергивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву. 

Общие сведения о пиломатериалах

Термин «пиломатериалы» предполагает собой ряд изделий из древесины определенных размеров и качества.

Деревянная продукция изготавливается путем деления бревен на части с последующей раскройкой. В результате получаются заготовки, деревянные детали и непосредственно сами пиломатериалы.

Категория пиломатериалов по сортименту подразделяется на:

1. Бруски — это изделия толщиной не более 100 мм. Ширина, как правило, составляет менее 200 мм. Бруски нередко применяют для изготовления дверного короба. Также с их помощью выравнивают поверхности.
2. Брусья — имеют ширину более 100 мм и подразделяются на двух-, трех- и четырехкантные.
3. Горбыли — остатки процесса деревообработки. Изделие представляет собой односторонне выпуклую доску. Горбыли используют в качестве основы для постройки ограждений, заборов, чернового пола, лавок и дизайнерских задумок.
4. Обаполы — продукция, получаемая из боковой части бревна после его распиловки. Данный пиломатериал изготавливают из хвойных пород дерева.
5. Шпалы — брусья крупного сечения, которые укладывают поперек полотна железной дороги.

Самым популярным видом деревянных изделий считаются доски различной толщины и длины.

Типы пиломатериалов по способу обработки:

1. Торцованные — обработанная древесина, которой придализаданную длину.
2. Неторцованные — необработанные со стороны торца изделия.
3. Калиброванные — высушенный до определенной влажности и впоследствии обработанный материал в соответствии с заданными размерами.
4. Строганные — получаемые путем обстругивания одной плоскости или двух кромок.
5. Конструкционные — материалы, изготовленные из твердых пород дерева (дуб, лиственница).

По типу распиловки лесоматериалы бывают тангентальной и радиальной распиловки. Первый тип распила производится по касательным к линиям годовых колец ствола на небольшом расстоянии от сердцевины. Второй тип — это распиливание, при котором срез производят через сердцевину бревна.

Как определить породу древесины, изучаем материалы

Если вы не можете отличить сосновую доску от еловой и не видите разницы между дубовыми и ясеневыми досками, попробуйте пристальнее вглядеться в некоторые признаки, характерные для каждой породы древесины и определить ее принадлежность. Живые деревья имеют множество различных признаков, отличающих один ботанический вид от другого. Листья, кора, форма кроны, чередование почек и другие характеристики дают богатейший материал для сравнения.

Однако для определения древесины приходится иметь дело с другими признаками, которые опытные специалисты называют ключевыми. Описанные далее несложные методы помогут в определении распространенных местных пород, с которыми вам приходится иметь дело.

Сначала посмотрите на цвет древесины

На досках скапливаются грязь и пыль, а от света и воздуха волокна на поверхности выцветают и становятся серыми. Острым ножом, циклей или небольшим рубанком зачистите участок поверхности размером с ладонь на пласте доски тангенциального распила. При этом вы одновременно сумеете оценить и твердость неизвестной породы, сравнив ее со знакомыми образцами. Орех узнать очень просто. По красновато-бежевому цвету вы сможете узнать красный дуб, дополнительным признаком которого является выразительный текстурный рисунок. Расширяйте свои познания, рассматривая цвет и текстуру образцов в магазинах, торгующих пиломатериалами, и создайте свою коллекцию в мастерской.

Нос вам в помощь, чтобы определить породу древесины

Слегка смочите очищенное место водой или слюной. Это активирует древесину, даже если она старая и совершенно сухая. Понюхайте ее. Если она имеет запах, не напоминает ли он запах одной из пород, с которой вы уже имели дело в своей мастерской?

Применение древесины дуба

Дуб – один из стандартных вариантов пиломатериалов для производства мебели и напольных покрытий. Высокая плотность продукции обеспечивает повышенную прочность, которая со временем только возрастает. Древесина отличается звукоизоляцией, медленным набором влаги и устойчивостью к процессам гниения.

За счет стабильности, красивого рисунка и эстетичности дуб применяется в производстве следующих видов напольных покрытий:

паркетная и инженерная доска, где используется шпон толщиной 2-4 мм, которым оклеивается березовая или хвойная основа. За счет такой конструкции удается получить сбалансированный вариант пола, с хорошими эксплуатационными свойствами;

массивная доска и штучный паркет – сырье применяется на всю толщину ламели. Отсутствие клеевого слоя обеспечивает высокий уровень экологичности и безопасности для здоровья человека.

Укладка покрытия из дуба, при наличии замкового соединения, выполняется без использования клея, на подложку. Если доски имеют соединение шип-паз, тогда монтаж проводится клеевым способом, на основание или фанеру.

Готовую продукцию покрывают сверху слоем масла или лака, что обеспечивает дополнительную защиту от механических повреждений и повышает устойчивость к физическим нагрузкам. Преимущества дуба в том, что он поддается реставрации. Со временем на поверхности пола могут образовывать царапины, вмятины, потертости, которые легко устраняются в процессе циклевки или шлифовки.

Отличия статических методов от динамических

Для измерения твердости дерева применяются разные типы методов:

• Статистические (по Бринеллю, Роквеллу, Кнупу, Викерсу) представляют собой вдавливание сверхтвердого предмета в поверхность древесины. Этим предметом может служить алмазный конус или металлический шарик; их деформацией можно пренебречь;
• В динамические методах (по Шору, Морину, Бауману, Шварцу, Граве) происходит создание в материале отпечатка шариком при ударной нагрузке;
• В некоторых случаях твердость определяется по сопротивлению абразивному изнашиванию и шлифованию.

Графическая схема измерения твердости древесины по: а) Бриннелю; б) Роквеллю; в) Виккерсу.

Строение древесины

Все деревья, растущие на земле, можно разделить на два вида: лиственные (покрытосеменные) и хвойные (голосеменные) – с листьями в виде иголок. К хвойным породам относятся сосна, кедр, ель, пихта, лиственница, можжевельник, тис. Лиственные деревья очень распространены и представлены множеством пород (береза, липа, дуб, орех, бук, ясень, клен, яблоня, вяз, ива и т. д.)

Дерево имеет три части: корень, ствол и крону (рис. 1). Резчики по дереву используют в основном ствол, в котором заключена основная масса древесины. Остальные части дерева также могут использоваться для производства различных изделий. Например, крону используют в качестве сырья для производства древесно-волокнистых плит, из ветвей ивы делают корзины и плетеную мебель, корни используются в декоративно-прикладном искусстве (корнепластика).

Рис. 1. Части дерева

Место перехода ствола в корень называют комлевой частью или комлем. Древесина в комлевой части имеет красивую текстуру и переливчатый блеск, что очень ценится в производстве художественных изделий из дерева.

Чтобы лучше понять свойства древесины, нужно хорошо представлять себе ее строение. Удобнее всего строение древесины рассматривать на трех основных разрезах ствола (рис. 2 и 3):

1. поперечном, или торцевом, когда плоскость разреза проходит перпендикулярно (поперек) стволу;
2. радиальном, когда плоскость разреза проходит вдоль оси ствола (параллельно волокнам древесины) через центр;
3. тангенциальном, когда плоскость разреза проходит вдоль оси ствола, но на некотором расстоянии от центра и по касательной к годичным кольцам.

Рис. 2. Разрезы ствола

Рис. 3. Строение древесины

В самом центре ствола расположена сердцевина, состоящая из рыхлых, непрочных тканей, образованных в первые годы жизни дерева.

Сердцевину окружают годичные кольца – слои прироста древесины за один год жизни дерева. На радиальном разрезе годичные слои видны в виде параллельных полос, а на тангенциальном – в виде извилистых линий. В годичном кольце различают внутренние слои из крупных светлых клеток, которые появляются весной, и наружные слои из мелких темных клеток – это область поздней, летней и осенней древесины.

У некоторых пород деревьев на поперечном (торцевом) разрезе можно увидеть более темную центральную часть – ядро и более светлую часть вокруг ядра – заболонь. Ядро отличается большей плотностью, твердостью и меньшим содержанием влаги, так как это самая старая по возрасту древесина, состоящая из омертвевших клеток, не принимающих участия в обмене питательных веществ.

Заболонь – самая молодая часть древесины, она служит для проведения воды и других питательных веществ по стволу из корней в крону. Древесина заболони менее прочная, чем ядровая, она сильнее усыхает и растрескивается, поэтому резчики не используют в работе заболонь некоторых пород деревьев, а используют только ядро.

В зависимости от наличия ядра, заболони и спелой древесины породы деревьев подразделяются на следующие виды.

Ядровые – такие породы имеют и ядро, и заболонь. К ядровым породам относятся сосна, кедр, лиственница, можжевельник, дуб, ясень, яблоня и другие.

Спелодревесные – у этой группы деревьев древесина в центральной части ствола почти полностью отмирает, но не отличается от заболони по цвету. Такую древесину называют спелой. К спелодревесным породам относятся ель и осина.

Заболонные – это породы деревьев, у которых между центральной и остальной частью ствола нет разницы ни в цвете, ни в содержании влаги. К заболонным породам относятся береза, липа, клен, груша и др.

На границе между древесиной и корой находится камбий – тонкий слой, состоящий из живых клеток, которые, развиваясь, каждый год образуют новый слой древесины.

Кора состоит из двух слоев – пробкового и лубяного. Расположенный снаружи пробковый слой защищает древесину ствола от морозов, солнечных лучей и механических повреждений. Лубяной слой коры (луб) проводит воду и выработанные в листьях органические вещества по стволу.

На торцовой поверхности древесного ствола у некоторых пород деревьев хорошо видны светлые блестящие полоски, направленные от сердцевины к коре, – это сердцевинные лучи. Они проводят в стволе воду в горизонтальном направлении, а также запасают питательные вещества. У всех хвойных деревьев и у таких лиственных, как береза, осина и груша, сердцевинные лучи настолько узкие, что почти не заметны; у дуба и бука, наоборот, лучи широкие и хорошо видны на всех разрезах.

Сортамент

Сегодня на рынке пиломатериалов можно найти большое количество разновидностей продукции.

Пластины

Это части дерева, которые изготавливаются путём одного продольного распила через центр на 2 равные половины. Имеют только 1 опиленную сторону и используются для производства всего ассортимента пиломатериалов.

Четвертины

Это части дерева, которые получают путём двух продольных распилов брёвен через центр на 4 равные части. Имеют 2 опиленные взаимно перпендикулярные стороны и используются для производства некоторых пиломатериалов, столярных изделий и погонажа.

Брус

Это пиломатериал, размеры которого в сечении по обеим осям составляют более 100 мм. Изготавливается из твёрдых пород древесины. Используется для создания балок опорных конструкций при строительстве мостов, судов, брусовых домов и междуэтажных перекрытий.

Брусок

Пиломатериал, размеры которого в сечении по обеим осям составляют менее 100 мм, а ширина при этом не больше удвоенной толщины. При их создании применяются те же нормативы, которые используются при производстве досок.

Доска

Это пиломатериал, ширина которого в сечении превышает толщину в 2 раза и более. Имеет широкие стороны, которые называются пластями, и узкие — кромки. Пласти всегда обрабатываются путём строгания и шлифования. Кромки иногда могут подвергаться шпунтовке путём создания соединений типа выступ-впадина или шип-паз.

Существует несколько видов досок.

Вагонка – длинная доска небольшой ширины и толщины. Используется для внутренней декоративной отделки помещения, крепится на обрешётку встык или через пазы. Вагонка – наиболее дешёвый и распространённый вид декоративных досок.

Плотность древесины

Что такое плотность древесины

  Плотность древесины — это отношение массы древесины к объёму древесины, то есть плотность определяется массой древесного вещества в единице своего объёма. Выражается плотность в кг/м³.

  Плотность древесины зависит от её влажности. Как и все остальные показатели физико-механических свойств древесины, она определяется при влажности 12 %. Между прочностью и плотностью существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. При определении плотности древесинного вещества его массу определяют взвешиванием, а объем рассчитывают по разнице объема образца древесины и объема жидкости, заполнившей пустоты в этом образце.

  По плотности древесины при влажности 12 % все породы делят на три группы:

• с малой плотностью (540 кг/м³ и меньше-) — бальза, ель, пихта, сосна, кедр, можжевельник, тополь, осина, ива, липа, ольха, каштан;
• средней плотности (540…740 кг/м³) — лиственница, берёза, бук, дуб, клён, ясень, орех грецкий, рябина, яблоня, груша, вяз (карагач), лещина;
• высокой плотности (750 кг/м³ и более+) — акация, граб, береза железная, дуб, ясень, самшит, фисташка.

  Необходимо отметить, что почти вся древесина у хвойных пород деревьев, за исключением лиственницы и некоторых видов сосны, имеет низкую плотность.

От чего зависит твёрдость древесины

Показатели плотности отличаются для каждой породы дерева, но имеется ряд общих факторов.

Даже одно дерево может иметь разную степень прочности, если оно растёт в условиях высокой или низкой влажности

Факторы, влияющие на степень твёрдости дерева:

• возраст породы, чем старше древесина, тем более высокие характеристики прочности она имеет. Молодое дерево влажное, а старое иссушается и становится прочнее;
• климат и география произрастания. В холодном климате деревья прочнее, потому что растут крайне медленно;
• способ, которым было распилено дерево. Существуют определенные методики для усиления прочности при распиле;
• участок, в котором обрезан ствол. Плотность коры всегда выше, чем у сердцевины дерева.

Усушка, разбухание и коробление древесины

  Усушка — это уменьшение объёма древесины и линейных размеров при удалении из неё связанной влаги. Удаление свободной влаги не вызывает усушки. Она начинается только после полного удаления свободной влаги в момент начала удаления влаги связанной. Чем больше клеточных стенок в единице объёма древесины, тем больше в ней связанной воды и выше усушка.Усушка древесины не одинакова в разных направлениях: в тангенциальном направлении в 1,5 — 2 раза больше чем в радиальном.

  В среднем линейная усушка древесины наиболее большинства пород в тангенциальном направлении составляет 8 — 10 %, в радиальном 3 — 7 %, а вдоль волокон 0,1 — 0,3 %. Полная объёмная усушка находится в пределах 11 — 17 %. Усушка древесины учитывается при распиловке брёвен на доски (припуски на усадку), при сушке пиломатериалов и т.д.

  При сушке в древесине, вне зависимости от участия внешних нагрузок, возникают внутренние напряжения. Они образуются в результате неодинаковых изменений объёма тела при сушке (сушильные напряжения), пропитке и в процессе роста дерева. Полные сушильные напряжения удобно представить, как совокупность двух составляющих — влажностных и остаточных напряжений.

  Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных слоях древесины, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а во внутренних — сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения, в отличие от влажностных, не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после её полного завершения.

  Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперёк волокон, появляются трещины. Так появляются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние в конце сушки.

  Наличие различных напряжений внутри древесины может привести к её короблению.

  Коробление — это изменение формы древесины при сушке, хранении, и выпиловке. Чаще всего коробление происходит из-за различной степени усушки по разным структурным направлениям. Коробление может возникать и при механической обработке сухих пиломатериалов: при несимметричном строгании, ребровом делении из-за нарушения равновесия остаточных напряжений.

  Разбухание — это увеличение линейных размеров и объёмов древесины при повышении содержания связанной влаги. Оно происходит при увлажнении древесины и представляет собой явление, обратное усушке. Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности. Наибольшее разбухание происходит по ширине волокон (тангенциально), наименьшее – вдоль волокон.

  Разбухание, также как и усушка — отрицательные свойства древесины. Однако в некоторых случаях оно играет положительную роль, например, обеспечивает плотность соединений в лодках или винных бочках.