Механические свойства древесины — это такие свойства, которые обнаруживаются при действии на древесину внешних сил (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, перерезывание, скалывание). Действие этих сил может проявляться во время эксплуатации деревянных конструкций, а также при обработке древесины режущими инструментами.

К механическим свойствам древесины относятся:

  • твердость;
  • упругость;
  • пластичность;
  • прочность

Механические свойства древесины меняются по высоте и радиусу ствола. Они зависят от количества годовых колец в одном сантиметре и процента поздней древесины.

Существенное влияние на свойства древесины оказывает связанная влага. Влажность выше предела гигроскопичности практически не влияет на ее механические свойства.

 

Твердость древесины

Твердостью называется способность древесины сопротивляться прониканию в нее более твердых тел, а также режущих инструментов, гвоздей и шурупов.

Так как распил древесины производится тремя способами, то и твердость дерева различается в этих направлениях среза.

Выделяют следующие типы твердости по направлениям среза:

— торцовая (поперечная);

— радиальная;

— тангенциальная.

Торцевой (поперечный) распил – дерево распиливается перпендикулярно стволу и направлению волокон.

Торцевой распил древесины

Торцевой распил древесины

 

Радиальный распил осуществляется вдоль ствола, по радиусу, то есть, через центр дерева.

Радиальный распил древесины

Радиальный распил древесины

 

Тангенциальный распил также выполняется продольно, однако проходит вне центра, по хорде окружности, и поэтому на лицевой поверхности среза образуются своеобразные узоры из годичных колец.

Тангенциальный распил древесины

Тангенциальный распил древесины

 

Показатель твердости лесоматериалов изменяется в зависимости от типа его распила.

Боковая твердость у хвойных пород чаще всего на 40% ниже торцовой, а у лиственных пород – на 30%. Тангенциальная твердость, например, дубовых, буковых или ильмовых лесоматериалов, выше торцевой почти на 10%. Большая часть сортов древесины имеет примерно одинаковую тангенциальную и радиальную твердости.

По степени твердости все породы древесины делятся на следующие классы:

твердые, как кость: эбонитовое дерево, кокос;

— очень твердые: дуб, бук, белая акация, граб, тис, палисандр;

— твердые: дуб, яблоня, груша, вишня, ясень, тик;

— умеренно твердые – орех, черная сосна, вяз;

— мягкие: берёза, липа, лиственница, ольха, красное дерево;

— очень мягкие: ель, белая сосна, тополь, верба, осина, пихта;

Твердая древесина встречается обычно у лиственных деревьев с широкими плоскими листьями, опадающих осенью или весной, как например, листья дуба. Поскольку твердая древесина еще и плотнее, чем мягкая, изделия из нее прочны и долговечны, и поэтому она больше ценится в столярном деле.

Мягкая древесина – это прежде всего хвойные вечнозеленые породы, размножающиеся шишками. Поскольку такие деревья быстрее растут, то эта древесина дешевле твердой. Мягкая древесина используется в строительстве для изготовления балочных перекрытий, в мебельном производстве, является сырьем для изготовления бумаги. 

Но при этом всегда необходимо помнить, что у некоторых лиственных древесина на самом деле «мягче», чем у хвойных деревьев.

 

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

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 fmax 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 fmax 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 Мн:

fmax = Mнl2 / 10EJx     

где:   

Мн — нормативное значение максимального изгибающего момента;

l — пролет балки (расстояние между опорами);

Jx — 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. 

 

Пластичность древесины

Пластичностью древесины называется ее способность под воздействием продолжительных нагрузок, не разрушаясь, сохранять приданную ей измененную форму, давать остаточную деформацию. Древесина лиственных пород обладает большей пластичностью, чем древесина хвойных пород.

Пластичность древесины

Пластичность древесины — способность сохранять приданную ей измененную форму под воздействием продолжительных нагрузок

Пластичность можно отнести как к положительным, так и к отрицательным свойствам. Она возрастает с повышением температуры и увеличением влажности.

Достаточно большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии, при обычных температурных условиях, используется в строительстве в качестве арочных гнутых конструкций, в мебельном производстве, при производстве перил для лестниц в частных домах.

Деревянные перила из гнутой древесины

Большая пластичность дерева в воздушно-сухом состоянии используется при производстве перил для лестниц

Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Способность гнуться выше у лиственных кольце-сосудистых пород – дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых – бука. Хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу.

Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации, что позволяет зафиксировать новую форму детали под нагрузкой. 

Отрицательные проявления пластичности дерева сказываются главным образом на старых балочных перекрытиях больших пролетов, дающих заметное на глаз провисание иногда лишь по прошествии десятков лет. У стропильных деревянных ферм, благополучно простоявших более 100 лет, вдруг начинает наблюдаться катастрофическое нарастание прогибов из-за пластических деформаций в перенапряженных частях.

В некоторых деревянных конструкциях пластические деформации являются причиной не только традиционного провисания, но и их разрушения.

Поврежденные стропила

Пластические деформации — причина не только провисания, но и разрушения деревянных стропил крыши

 

Прочность древесины

Прочностью древесины называется ее способность выдерживать определенные нагрузки не разрушаясь. Более плотная древесина обычно является и более прочной.

Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина – анизотропный материал, то есть, материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении).

Napravleniya usilij

Направление нормалей для торцевого, радиального и тангенциального разрезов

  • Торцевой или поперечный разрез. Нормаль — продольная ось N.
  • Радиальный разрез (проходит через ось ствола). Нормаль — R.
  • Тангенциальный разрез (параллельный оси ствола, проходит через касательную к кольцу поперечного сечения). Нормаль — T.  

Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесенные к единице площади сечения (1см2) называют напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности.

Предел прочности определяют на малых, не имеющих пороков образцах в лабораториях на испытательных машинах. 

Прочность при сжатии

Прочность при сжатии вдоль волокон

Прочность при сжатии вдоль волокон определяется на образце призматической формы. Образец размером 20 х 20 х 30мм, должен включать не менее 4-5 годичных слоев. 

Образец для испытания древесины на прочность

Образец для испытания древесины на прочность при сжатии вдоль волокон

Образец постепенно нагружают до разрушения, измеряя при этом максимальную нагрузку Рmax, H. Характерным признаком разрушения образца при сжатии является возникновение складки, образующейся в результате потери устойчивости волокон. 

Разрушение деревянного образца при сжатии вдоль волокон

Характерные складки являются признаком разрушения образца в результате потери устойчивости волокон

Предел прочности σ, МПа вычисляют по формуле:

σ = Pmax/a∙b,                 

где Pmax — максимальная нагрузка, Н

a ∙ b – площадь сечения образца, мм2.

В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа (Н/мм 2). Или 500 кг/см2.

При работе древесины на сжатие вдоль волокон ее прочность в 2-2,5 раза ниже аналогичной прочности на растяжение.

Прочность при сжатии поперек волокон

Прочность при сжатии поперек волокон определяется по схемам на рисунке:

Сжатие древесины поперек волокон

Образцы для испытания древесины на прочность при сжатии поперек волокон

Здесь указана равнодействующая сил, которые либо равномерно распределены по всей поверхности образца, либо по всей ширине, но на части длины его (местное сжатие). Во всех случаях определяют условный предел прочности. В качестве этого показателя используют предел пропорциональности, то есть, величину напряжений, до которых наблюдают линейную зависимость между напряжениями и деформациями.

В среднем для всех пород он составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон. То есть, в среднем, прочность древесины при сжатии поперек волокон в десять раз меньше, чем прочность при сжатии вдоль.

Прочность при растяжении

Испытания на прочность при растяжении проводятся на образцах другого вида:

Obrezets

Образцы для испытания древесины на прочность при растяжении

Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно растягивающих напряжений.

Предел прочности при растяжении получают делением величины разрушающей нагрузки на площадь сечения рабочей части образца. 

σр = F / А

В среднем для всех пород предел прочности при растяжении вдоль волокон равен 130 МПа (1300 кг/см2), а предел прочности при растяжении поперек волокон в 20 раз ниже. Поэтому при конструировании изделий из древесины избегают растягивающих нагрузок, направленных поперек волокон.

Высокая прочность древесины при растяжении вдоль волокон позволяет использовать ее для изготовления строительных конструкций.

Прочность при изгибе

Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20 х 20 х 300 мм:

Proctnost na izgib

Образец для испытания древесины на изгиб

Предел прочности при статическом изгибе, МПа вычисляют по формуле:

σи = Mmax / W,

где   Мmax — максимальный изгибающий момент от нагрузки;

W — момент сопротивления сечения испытуемого бруса.

Для бруса прямоугольного сечения и сосредоточенной нагрузки посредине балки предел прочности при изгибе можно вычислить по формуле:

σи=(3/2)((Pmax∙l)/ b∙h2)),

где Pmax – максимальная нагрузка, H;

l – пролет, то есть, расстояние между центрами опор, равный 240 мм;

b – ширина в радиальном направлении, мм;

h – высота в тангенциальном направлении, мм.

Предел прочности при изгибе — промежуточное значение между пределом прочности при растяжении и и пределом прочности при сжатии. В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 90 МПа. Довольно высокая прочность древесины при изгибе позволяет использовать ее для изгибаемых строительных конструкций.

При работе древесины на изгиб наблюдается и растяжение, и сжатие волокон, и межслойный сдвиг.

Работа древесины на изгиб

При работе древесины на изгиб можно увидеть и растяжение, и сжатие волокон

Разрушение изгибаемых элементов начинается в результате:

  • разрыва растянутых волокон;
  • образования складки в сжатой зоне;
  • от скалывания

Прочность при сдвиге

При испытаниях на сдвиг к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости, происходит сдвиг. Различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперек волокон и перерезание древесины поперек волокон. Схема действия сил при этих испытаниях показана на рисунке:

Испытание древесины на сдвиг

Образцы для испытания древесины на сдвиг

 

При испытании на скалывание вдоль волокон применяют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке:

Испытание древесины на скалывание вдоль волокон

Образец для испытания древесины на скалывание вдоль волокон

Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют делением разрушающей нагрузки на площадь скалывания.

Tw = Pmax / (b ∙ l),

где (b ∙ l) – площадка скалывания

Величина предела прочности – касательных максимальных напряжений при скалывании вдоль волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от предела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперек волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.

 

Пределы прочности (временные сопротивления Rвр) отдельных пород древесины:


Вид    древесины

 Объемный         вес,          кг/м3
Сопротивление
 сжатию,      Н/мм2  растяжению      Н/мм2    изгибу,    Н/мм2 скалыванию,      Н/мм2
Ель 500
— вдоль волокон 43 90 66 6,7
— поперек волокон 5,8 2,7
Сосна 600
— вдоль волокон 47 104 87 10,0
— поперек волокон 7,7 3,0
Лиственница 450
— вдоль волокон 85 107 99 9,0
— поперек волокон 7,5 2,3
Бук 370
— вдоль волокон 62 135 105 10,0
— поперек волокон 9,0 7,0
Дуб 700
— вдоль волокон 54 90 91 11,0
— поперек волокон 11 4,0

Поскольку свойства древесины, являющейся естественным строительным материалом, колеблются в широких пределах, в таблице приведены наиболее часто встречающие величины. Показатели приведены для влажности примерно 12%, то есть, обычной влажности при нормальных климатических условиях.

Однако, при проектировании деревянных конструкций в расчетах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели – расчетные сопротивления R.

Они учитывают большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительное действие нагрузок , влажность, температуру и другие факторы.

Именно расчетное сопротивление R применяют при расчетах конструкций по первой группе предельных состояний. Первая  группа предельных состояний — это состояния, при которых происходит исчерпание несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости) сооружений и конструкций при соответствующих комбинациях нагрузок, которые могут также сопровождаться разрушениями любого вида (вязкое, усталостное, хрупкое). 

То есть, первая группа определяется потерей несущей способности конструкции или непригодностью ее к эксплуатации. Говоря проще, состояния, относящиеся к этой группе считаются предельными, если в конструкции наступило опасное напряженно-деформированное состояние, в худшем случае, если она по этим причинам разрушилась.  

Расчетное сопротивление R является предельным напряжением в материале реальных элементов конструкций, отличающихся от стандартных образцов большими размерами и наличием неизбежных пороков и дефектов, в пределах допустимого их содержания. Кроме того, в расчетном сопротивлении отражено влияние длительного действия нагрузок и условий эксплуатации.

Определение расчетного сопротивления R древесины производят в следующей последовательности:

1. Лабораторными испытаниями большого числа стандартных образцов материала малого размера определяют значения величин временных сопротивлений Rвр (пределов прочности) — об этом было рассказано выше.

2. Далее, в результате статистической обработки, находят среднее арифметическое значение Rсрвр временных сопротивлений, определяют коэффициенты изменчивости V и α и вычисляют  Rн – минимально возможное значение временного сопротивления, которое называется нормативным сопротивлением материала.

Rн = Rсрвр (1-αV)

Rн– нормативное сопротивление чистой (без пороков) древесины сосны и ели с влажностью 12% при стандартных испытаниях малых образцов.

Для того, чтобы не высчитывать Rн самостоятельно, в справочной литературе приводится таблица этих значений.

Нормативные сопротивления Rн чистой древесины сосны и ели:

Вид напряженного состояния

Обозначение

Нормативное сопротивление,

МПа (кг/см2)

а

б

Изгиб Rни 50 (500) 33 (330)
Растяжение вдоль волокон Rнр 55 (550) 37 (370)
Сжатие и смятие вдоль волокон Rнс;  Rнсм 30 (300) 20 (200)
Сжатие и смятие по всей поверхности поперек волокон Rнс90

Rнсм90

2 (20)
Местное смятие поперек волокон на части длины при длине свободных концов не менее длины площадки смятия и толщины элемента Rнсм90 4 (40)
Скалывание вдоль волокон среднее Rнск 4 (40)
Скалывание вдоль волокон максимальное Rнск 3,5 (35)
Скалывание поперек волокон среднее Rнск90 2 (20)
Скалывание поперек волокон максимальное Rнск90

1,7 (17)

МПа = Н / мм2;

Нормативные сопротивления, приведенные в графе а определены как пределы прочности чистой древесины при стандартных испытаниях малых образцов.

Нормативные сопротивления, приведенные в графе б, определены с учетом снижения сопротивления древесины при большей продолжительности воздействия расчетной нагрузки на конструкции, чем при стандартных испытаниях малых образцов. 

3. Определяют расчетные сопротивления древесины и фанеры при влажности 12%, длительном действии нагрузок и нормальных температурных условиях эксплуатации:

R = Rн/ k

k – коэффициент безопасности по материалу (не надо путать с коэффициентом безопасности для конструкций). Этот коэффициент учитывает влияние следующих факторов: неоднородности структуры и состава древесины, наличия пороков и дефектов, больших размеров, длительного сопротивления.

k = 1 / kдлkпорkразм

kдл – коэффициент, учитывающий длительность нагрузки.

kпор – коэффициент, учитывающий пороки древесины. Больше всего пороки влияют на работу древесины при растяжении.

kразм – коэффициент, учитывающий влияние увеличенных размеров строительных элементов по сравнению со стандартными образцами. Равен при сопротивлении растяжению вдоль волокон 0,75, сжатию вдоль волокон 1, изгибу 0,9.

Значение коэффициента безопасности:

— при растяжении вдоль волокон

k = 1/(0,67∙0,36∙0,75) = 5,5

— при сжатии и смятии вдоль волокон

  k = 1/(0,67∙0,67∙1) = 2,2

— при изгибе

k = 1/(0,67∙0,44∙0,9) = 3,8

Вот почему, имея наибольшую механическую прочность при растяжении вдоль волокон (Rвр = 100 МПа и Rн = 55 МПа), и в тоже время наибольший коэффициент безопасности, расчетное сопротивление этому виду работы древесины самое низкое Rр = 10 МПа.

 

Основные расчетные сопротивления R древесины сосны и ели:

п.п.

Вид напряженного состояния и характеристика элементов Обозначения Расчетное сопротивление,

МПа (кг/см2)

1 Изгиб
а) все элементы, кроме указанных в п.п. «б» и «в» Rи

 

13 (130)

 

б) элементы прямоугольного сечения с размерами сторон 14 см и более при высоте сечения до 50 см

(Rиmи1 = 130∙1,15)

Rиmи1

 

15 (150)

 

в) элементы из круглых лесоматериалов, не имеющие врезок в расчетном сечении

(Rиmи2 = 130∙1,25)

Rиmи2

 

16 (160)
2 Растяжение вдоль волокон:

 

а) элементы, не имеющие ослаблений в расчетном сечении Rр

 

10 (100)

 

б) элементы, имеющие ослабления в расчетном сечении

 (Rрmр = 100∙0,8)

Rрmр

 

8 (80)
3 Сжатие и смятие вдоль волокон

 

Rр;  Rсм 13 (130)
4 Сжатие и смятие по всей поверхности поперек волокон Rс90;  Rсм90 1,8 (18)
5 Смятие местное поперек волокон:
а) в опорных плоскостях конструкций

(Rсм90mсм1 = 18∙1,33)

Rсм90mсм1

 

2,4 (24)

 

б) в лобовых врубках

(Rсм90mсм2 = 18∙1,65)

Rсм90mсм2

 

3 (30)

 

в) под шайбами при углах смятия от 90 до 60°

(Rсм90mсм3 = 18∙2,2)

Rсм90mсм3 4 (40)
6 Скалывание вдоль волокон при изгибе и в соединениях для максимального напряжения

(Rскmск = 12∙2)

Rскmск 2,4 (24)
7 Скалывание поперек волокон для максимального напряжения

 

Rск90mск 1,2 (12)

В данной таблице приведены расчетные сопротивления древесины сосны и ели, пригодной по допустимым порокам для проектирования деревянных конструкций, защищенных от нагрева.

Для древесины других пород приведены значения переходных коэффициентов к расчетным сопротивлениям.   

Коэффициенты нормативных и расчетных сопротивлений древесины разных пород по отношению к древесине сосны и ели:

Породы древесины Коэффициент нормативного и расчетного сопротивления
растяжению, изгибу, сжатию и смятию вдоль волокон сжатию и смятию поперек волокон скалыванию
Хвойные:

Лиственница

Кедр сибирский

Пихта

 

 

1,2

0,9

0,8

 

1,2

0,9

0,8

 

1,0

0,9

0,8

Твердые лиственные:

Дуб

Ясень, клен, граб

Акация

Береза, бук

Вяз, ильм

 

 

1,3

1,3

1,5

1,1

1,0

 

2,0

2,0

2,2

1,6

1,6

 

1,3

1,6

1,8

1,3

1,0

Мягкие лиственные

Ольха, липа

Осина, тополь

 

 

0,8

0,8

 

1,3

1,0

 

1,1

0,8

 

Как видно из описаний выше, практически все физико-механические свойства древесины совершенно различны для продольного и для поперечных направлений волокон и слоев древесины. Такая неоднородность (анизотропность) древесины получается из-за её своеобразного анатомического строения, что с конструктивной точки зрения является недостатком этого материала.

Причем, расхождения между механическими свойствами древесины в тангенциальном и радиальном направлениях практически нет, чего не скажешь о торцевом направлении. 

Почему это происходит, можно увидеть, если рассмотреть анатомическое строение древесины, которое может быть схематически изображено в виде параллельного скопления склеенных между собой тонких трубочек.

Kletki drevesiny

Схематическое изображение анатомического строения древесины

В этой схеме ясно выражена большая прочность дерева на продольное растяжение и сжатие, и наоборот, слабая сопротивляемость его в отношении поперечных усилий, вызывающих изгиб сравнительно слабых стенок отдельных трубочек.

Также, как и пучок соломы, деревянный брусок очень трудно разорвать продольным растяжение, и очень легко смять поперечным сжатием.

Эта же схема иллюстрирует уменьшение сопротивления дерева скалыванию при увеличении угла между скалывающим усилием и направлением волокон.

Skalyvanie vdol volokon

При продольном  скалывании отдельные трубочки сдвигаются и скалываются

При поперечном скалывании отдельные трубочки не только сдвигаются, или скалываются, как при продольном скалывании,

Skalyvanie poperekl volokon

При поперечном скалывании трубочки перекатываются слой по слою, отдираясь и изгибаясь

но кроме того, еще перекатываются слой по слою, отдираясь и изгибаясь при значительно меньшем напряжении.

 

Еще один вид сдвига – так называемый срез древесины (поперек волокон) в чистом виде так же невозможен, как нельзя, например, перерезать ножницами соломинку (или пучок соломы), не сминая ее стенок. Самый крепкий дубовый нагель тоже разрушается не от чистого среза, а от изгиба и смятия поперек волокон.

Srez drevesiny

Срез древесины поперек волокон невозможен в чистом виде

Поскольку в деревянных конструкциях чистый срез поперек волокон вообще не осуществим, и поскольку до сих  пор существует приближенный метод расчета нагелей на изгиб и смятие, то значение допускаемого сопротивления древесины срезу поперек волокон в нормах отсутствует.  

Все виды прочности древесины различных пород для различных направлений волокон, для различной влажности древесины определяются при помощи специальных лабораторных испытаний. Физико-механические свойства древесины даже в пределах одной и той же породы существенно меняются в зависимости от почвенных и климатических условий произрастания, густоты насаждения, возраста и влажности древесины, направления волокон, положения образца по высоте ствола, расстояния его от оси ствола и пр.