Changes in the strength of wood and wooden structures in time

Full Text

Реставрация и восстановление исторического облика зданий и сооружений является одной из первоочередных задач сохранения исторического наследия. Именно старые здания создают неповторимый облик поселений и позволяют увидеть истинное лицо городов и поселков, имеющих вековую историю [1−3].

На данный момент многие исторические здания и сооружения восстанавливаются, на них проводятся ремонтно-реставрационные работы. Большинство этих зданий были возведены либо из древесины, либо с применением конструкций из древесины. Это ограждающие конструкции, несущие балки покрытий и перекрытий, стропильные конструкции, стойки, а в отдельных случаях встречаются деревянные фундаменты. Естественно, возникают вопросы − возможно ли использовать эти конструкции или необходимо их заменять на новые, как изменились их характеристики по прошествии времени.

Сотрудниками кафедр производства строительных материалов, изделий и конструкций (ПСМИК) и металлических и деревянных конструкций (МДК) Академии строительства и архитектуры Самарского государственного технического университета (АСА СамГТУ) были проведены исследования основных характеристик образцов древесины, отобранных из элементов деревянных конструкций различных зданий − Доходный дом Шихобалова, г. Самара, ул. Ленинградская, 77 (рис. 1) и ветряная мельница первой половины XIX в. (рис. 2), которые сравнивались со справочными значениями для тех же пород.

 

Рис. 1. Доходный дом Шихобалова, г. Самара, ул. Ленинградская, 77

 

Рис. 2. Ветряная мельница первой половины XIX в., Самарская область, с. Бариновка

 

При помощи макроскопического, микроскопического и химического анализа определялись породы древесины, из которых были выполнены конструкции. Основные отличительные признаки пород и видов древесины определялись на образцах, взятых с указанных выше сооружений.

Химическим методом была установлена принадлежность древесины к хвойным или лиственным породам, для чего применили реакцию Мейле [4]. Суть методики заключается в реакции проб древесины на различные химические реагенты. После обработки химическими растворами марганца, соляной кислоты и аммиака древесина лиственных пород окрашивается в красный цвет, а хвойных – в желтый.

Для определения породы древесины использовался микроструктурный анализ с применением микроскопа Levenhuk 3L NG, оборудованного цифровой камерой Levenhuk M35 BASE Series, подключенной к ноутбуку, с установленным программным обеспечением LevenhukLite.

Использование микроскопического анализа позволяет более точно определить принадлежность древесины конструкции к той или иной породе.

Наличие однорядного расположения окаймленных пор (ОП) трахеид (рис. 3) свидетельствует о том, что исследуемый образец может быть отнесен к хвойным породам древесины − сосна или ель.

 

Рис. 3. Окаймленные поры (ОП) трахеиды (сосна, ель)

 

Двухрядное расположение окаймленных пор трахеид означает, что образец отобран из изделия, выполненного из лиственницы (рис. 4).

 

Рис. 4. Двухрядное расположение окаймленных пор (ОП) трахеид лиственницы

 

Кроме определения различий хвойных пород, микрометрическое исследование позволяет определить, к какому типу лиственных пород относится исследуемый образец. Так, в качестве примера можно оценить срез березы с ее рассеянно-сосудистой структурой (рис. 5).

 

Рис. 5. Рассеянно-сосудистая структура березы

 

Макроструктурный анализ также позволяет определить породу использованной в конструкции древесины, примером может служить проба, отобранная из опорной стойки рамы мельницы (рис. 6). Её изучение свидетельствует о том, что данная конструкция выполнена из древесины дуба, что подтверждается наличием четко выраженных сердцевидных лучей (рис. 7), сосудов, расположенных вдоль годичных колец (кольцесосудистая древесина) (рис. 8), а также характерным кислым запахом при обработке.

 

Рис. 6. Место обора пробы (Опорная стойка рамы мельницы в селе Бариновка)

 

Рис. 7. Сердцевидные лучи древесины дуба

 

Рис. 8. Макроструктура кольцесосудистой древесины

 

Для того чтобы отличить древесину сосны от древесины ели, необходимо определить наличие (сосна) или отсутствие (ель) ядра у имеющейся пробы древесины, для этого необходим полный поперечный срез ствола, что не всегда возможно. Ведь чаще всего для анализа предоставляется лишь небольшая часть, щепа или брусок, где отсутствует срединная часть ствола. В этом случае определение проводят исходя из цвета, рассматривается частота и размер ветвей, частота расположения годовых колец.

Физико-механические методы применялись для определения следующих показателей: плотность, кг/м³; водопоглощение, %; влажность, %; предел прочности при статическом изгибе, МПа; предел прочности при сжатии вдоль и поперек волокон, МПа.

Для определения этих показателей отобранные из различных конструкций пробы распиливались на отдельные образцы согласно нормам ГОСТа:

– для определения прочности на сжатие вдоль и поперек волокон выпиливались образцы с размерами 20х20х30 мм согласно ГОСТ 16483.10-73 и ГОСТ 16483.11-72*, соответственно;

– для определения прочности при статическом изгибе выпиливались образцы с размерами 20х20х300 мм по ГОСТ 16483.3-84;

– для определения прочности при скалывании вдоль волокон выпиливались образцы специальной Т-образной формы по ГОСТ 16483.5-73*.

Результаты проведенных испытаний приведены в таблице. В ней же приведены справочные значения [5, 6].

 

Сводная таблица результатов испытаний

Порода древесины	Физико-механические характеристики древесины								Изменение характеристик, ٪
	Средние значения при испытаниях				Средние справочные значения [6]
	Плотность, кг/м3	Среднее значение прочности на сжатие вдоль волокон (R12), МПа	Среднее значение предела прочности при статическом изгибе (R12), МПа	Среднее значение предела прочности при скалывании вдоль волокон (R12), МПа	Плотность, кг/м3	Среднее значение прочности на сжатие вдоль волокон (R12), МПа	Среднее значение предела прочности при статическом изгибе (R12), МПа	Среднее значение предела прочности при скалывании вдоль волокон (R12), МПа	Плотность	Среднее значение прочности на сжатие вдоль волокон (R12)	Среднее значение предела прочности при статическом изгибе (R12)	Среднее значение предела прочности при скалывании вдоль волокон (R12)
Сосна	537	46,7	79,2	6,4	500	48,5	86,0	7,3	+7	-3,7	-7,9	-12,3
Лиственница	657	53,2	81,3	7,76	660	64,5	111,5	9,4	-0,5	-17,5	-27,1	-17,4
Ель быкновенная	446	36,1	46,6	6,38	445	44,5	79,5	6,8	+0,2	-18,9	-41,4	-6,2
Дуб	650	52,5	89,3	9,37	690	57,5	107,5	10,2	-5,8	-8,7	-16,9	-8,1

 

Из полученных значений следует, что при нахождении в равных условиях древесина сосны сохранила свои эксплуатационные свойства и изменение её физико-механических характеристик составило 5−10 %, изменение прочностных характеристик дуба колеблется в пределах 6−17 %, лиственницы − 17–27 %. Наибольшие изменения показателей прочности наблюдаются у ели обыкновенной и характеризуются значениями от 6 до 42 %. Необходимо отметить, что результаты испытаний образцов, приведенные в таблице, указаны с учетом пересчета испытаний древесины с влажностью древесины в конструкции на влажность, требуемую по ГОСТу, равную 12 %.

Выводы.

1. При проведении ремонтно-реставрационных работ необходимо проводить комплексное исследование деревянных конструкций, которое позволит реально оценить их способность выполнять свои функции.
2. Эксплуатация зданий и сооружений, а также использование древесины с возрастом более ста лет возможна и в наше время, но при проведении обследовательских и реставрационных работ, так как происходит снижение их прочностных показателей, что необходимо учитывать при расчетах.
3. Сравнительный анализ прочностных характеристик образцов древесины сосны, отобранных из конструкций, находящихся на улице (среднее значение прочности нескольких конструкций «Мельница с. Бариновка») и в помещении (балка перекрытия «Дом Шихобалова»), говорит о том, что результаты различаются в среднем на 3 %.
4. Для возможности точного прогнозирования изменения прочностных характеристик деревянных конструкций необходимо провести масштабные исследования в этой области.

About the authors

Mikhail S. Balabanov

Samara State Technical University

Email: bms-796@rambler.ru

Senior Lecturer of the Construction Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, Samara; Samara

Sergey A. Buteno

Samara State Technical University

Email: butenko.s.2020@mail.ru

PhD in Engineering Science, Senior Researcher of the Production of Building Materials, Product and Structures Chair, Associate Professor of the Reinforced Concrete Structures Chair

Russian Federation, Samara; Samara

Alexandra S. Leonenko

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: leonenko_as@mail.ru

Associate professor of the Metal and Wooden Structures Chair

Russian Federation, Samara; Samara

References

Supplementary files