Инженерная древесина как конструкционный материал

Древесина — природный композит: целлюлозные микрофибриллы, уложенные в матрице лигнина и гемицеллюлоз. Отсюда материал, прочный вдоль волокон и слабый поперёк, меняющий размеры с влажностью воздуха и продолжающий деформироваться под нагрузкой, которая не меняется. Инженерная древесина — клеёный брус, перекрёстно-клеёные панели, фанерованный брус — это не «улучшенная древесина», а древесина, у которой каждое из этих свойств измерено и учтено в расчёте. Разобраться, почему она работает и где перестаёт, — значит рассмотреть три свойства по очереди.

Что даёт перекрёстная склейка

Почти вся продольная жёсткость клеточной стенки сосредоточена в целлюлозных микрофибриллах, ориентированных почти параллельно волокнам. Следствие: жёсткость хвойной древесины вдоль волокон более чем на порядок выше поперечной, а усушка от свежесрубленного до сухого состояния составляет десятые доли процента вдоль волокон и несколько процентов поперёк, причём тангенциальная примерно вдвое больше радиальной. Поэтому массивная доска при высыхании в службе коробится и растрескивается. Перекрёстная склейка чередует слои под 90°, и каждый слой сдерживает подвижку соседних: перемещение панели в любом направлении приближается к малой продольной величине, а перепад усушки, разорвавший бы цельную панель, размазывается по клеевым швам. Расслоение делает и второе: усредняет дефекты. Предел прочности задают сучки и наклон волокон; распил на ламели или тонкий шпон рассеивает их так, что ни один дефект не управляет прочностью в одиночку, а рассортированные слои кладут самый жёсткий материал туда, где изгибное напряжение максимально.

Влажность как управляющая переменная

Клеточная стенка гигроскопична: богатые гидроксилами гемицеллюлозы и аморфная целлюлоза связывают водяной пар, пока древесина не придёт в равновесие с воздухом. Примерно до 30% влажности — точки насыщения волокна — вода находится внутри самой стенки, и меняется всё: жёсткость падает, ползучесть ускоряется, размеры уходят. Выше — вода свободная, в полостях клеток, и ни одно конструкционное свойство больше не меняется. Поэтому пиломатериал сушат до влажности будущей среды эксплуатации, поэтому заводы проверяют каждую доску перед прессованием и поэтому нормы задают классы эксплуатации, а не единственное допустимое напряжение. Большинство отказов деревянных конструкций в службе — события влажности: узел, задерживающий воду, создаёт локальный градиент, мокрая зона разбухает и усыхает против сухой, и трещины открываются, впуская новую воду.

Огонь как предсказуемое обугливание

Древесина не плавится и не имеет единой температуры отказа. При пожаре поверхностный слой пиролизуется, воспламеняется и выгорает до угля, а угольный слой — пористый, лёгкий, плохо проводящий тепло — изолирует древесину позади себя, и сам пиролиз поглощает тепло. Получается самый странный факт огнестойкости конструкций: потеря сечения идёт почти с постоянной скоростью, около 0,65 мм в минуту для хвойной древесины в стандартном испытании, — величина, прямо записанная в Еврокоде 5. Проектировщик не «аттестует материал», а жертвует расчётным наружным слоем и рассчитывает на то, что холодное ядро сохраняет прочность при комнатной температуре. Незащищённая сталь, напротив, к 600 °C теряет около половины предела текучести — задолго до развитой стадии пожара. Настоящие слабые места деревянного каркаса — стальные узлы: они проводят тепло мимо угольного фронта и требуют отдельной защиты.

Время под нагрузкой

Древесина ползёт. Под постоянной нагрузкой деформация нарастает годами: матрица медленно течёт между несущими микрофибриллами, и долгосрочный прогиб догоняет и перегоняет мгновенный упругий. Хуже — механосорбционная ползучесть: циклы увлажнения под нагрузкой увеличивают деформацию в несколько раз, потому что каждое увлажнение размягчает матрицу и молекулярные сдвиги накапливаются. Нормы отвечают коэффициентами длительной прочности, снижающими допустимое напряжение для постоянных нагрузок; физику не отменить, её можно только заложить в цену.