Оценка физико-механических свойств древесины сосны (Pinus sylvestris L.) методами ударного импульса и упругого отскока

А.С. Королев; Е.С. Шарапов; А.О. Быков; П.Г. Тимаков

doi:10.37482/0536-1036-2026-3-122-132

Авторы

А.С. Королев Поволжский государственный технологический университет https://orcid.org/0009-0000-1370-1285
Е.С. Шарапов Поволжский государственный технологический университет https://orcid.org/0000-0002-6500-5377
А.О. Быков Поволжский государственный технологический университет https://orcid.org/0009-0006-3429-5902
П.Г. Тимаков Поволжский государственный технологический университет https://orcid.org/0009-0004-1590-5029

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2026-3-122-132

Ключевые слова:

склерометр, неразрушающий контроль, упругий отскок, ударный импульс, плотность древесины, сосна, Pinus sylvestris L., статическая твердость, динамический модуль упругости

Аннотация

Неразрушающий контроль широко применяется для определения технического качества, строения и внутреннего состояния древесных материалов и древесины в растущих деревьях и элементах деревянных конструкций. В число перспективных направлений для оценки физико-механических свойств конструкционных материалов входят методы упругого отскока и ударного импульса. Цель работы – апробирование использования данных методов для косвенного определения плотности, статической твердости и динамического модуля упругости древесины. Исследования проведены на 67 бездефектных образцах древесины сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) с нормализованной влажностью и размерами 50×50×50 мм3 с использованием мобильных приборов «Оникс 2.6» (ООО НПП «Интерприбор», Челябинск, Россия) и Silver Schmidt (Proceq SA, Шверценбах, Швейцария). Оценена изменчивость измеряемых параметров, получены регрессионные модели взаимосвязи параметров упругого отскока и ударного импульса с физико-механическими свойствами древесины. Наибольшие коэффициенты вариации соответствуют параметрам ударного импульса по радиальной и тангенциальной поверхностям образцов и статической твердости радиальной поверхности образцов. Установлена умеренная взаимосвязь плотности (R2 = 0,49) и динамического модуля упругости вдоль волокон (R2 = 0,39) с упругим отскоком от радиальной поверхности образцов. Невысокие коэффициенты детерминации моделей прогнозирования физико-механических свойств древесины сосны являются следствием недостаточного диапазона варьирования плотности образцов, а также локальности оценки свойств данными методами, что ограничивает их применение для оперативной оценки свойств древесины у растущих деревьев, пиломатериалов и в элементах деревянных конструкций. Методы могут быть использованы для ориентировочной оценки древесины или определения участков, пораженных гнилями. Повышение качества моделей прогнозирования физико-механических свойств древесины методами ударного импульса и упругого отскока может быть достигнуто за счет использования инденторов с большей площадью контакта, а также расширения диапазона изменчивости свойств образцов для одной или нескольких пород древесины, что и будет являться целью дальнейших изысканий.

Благодарности: Работа выполнена за счет гранта РНФ № 23-16-00220, https://rscf.ru/project/23-16-00220/

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Биографии авторов

А.С. Королев, Поволжский государственный технологический университет

канд. техн. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: JKI-0714-2023

Е.С. Шарапов, Поволжский государственный технологический университет

д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: B-8151-2014

А.О. Быков, Поволжский государственный технологический университет

науч. сотр.; ResearcherID: KFR-1574-2024

П.Г. Тимаков, Поволжский государственный технологический университет

инженер; ResearcherID: MGB-0595-2025

Библиографические ссылки

Королев А.С., Шарапов Е.С., Попов В.А. Оценка внутреннего состояния древесины в балках перекрытий методом измерения сопротивления сверлению // Вестн. гражданск. инж. 2023. № 5(100). С. 21–30. Korolev A.S., Sharapov E.S., Popov V.A. Assessment of Internal Condition of Wood in Inter-Floor Covering Beams by Drilling Resistance Measurement Method. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov = Bulletin of Civil Engineers, 2023, no. 5(100), pp. 21–30. (In Russ.). https://doi.org/10.23968/1999-5571-2023-20-5-21-30

Курс теоретической механики / ред.: В.И. Дронг, В.В. Дубинин, М.М. Ильин, К.С. Колесников, В.А. Космодемьянский, Б.П. Назаренко, А.А. Панкратов, П.Г. Русанов, Ю.С. Саратов, Ю.М. Степанчук, Г.М. Тушева, П.М. Шкапов. 4-е изд., испр. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 758 с. Course of Theoretical Mechanics: Textbook for Universities. Ed. by V.I. Drong, V.V. Dubinin, M.M. Il’in, et al. Moscow, BMSTU Publ., 2011. 758 p. (In Russ.).

Полубояринов О.И. Плотность древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1976. 160 с. Poluboyarinov O.I. Wood Density. Moscow, Lesnaya promyshlennostʼ Publ., 1976. 160 p. (In Russ.).

Стихановский Б.Н., Скобликова М.В. Определение твердости и дефектов поверхности методом упругого отскока // Совр. науч. исслед. и инновации. 2011. № 7. Режим доступа: https://web.snauka.ru/issues/2011/11/5286 (дата обращения: 05.06.25). Stihanovskiy B.N., Skoblikova M.V. Hardness and Surface Defects by Rebound. Modern scientific researches and innovations, 2011, no. 7. 12 p. (In Russ.).

Уголев Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение. 5-е изд., перераб. И доп. М.: МГУЛ, 2007. 351 с. Ugolev B.N. Wood Science and Forest Commodity Science. Moscow, MGUL Publ., 2007. 351 p. (In Russ.).

Федяев А.А., Чубинский А.Н. Неразрушающие методы контроля свойств продукции из древесины. СПб.: Галаника, 2022. 118 с. Fedyaev A.A., Chubinsky A.N. Nondestructive Testing Methods for Wood Product Properties. Saint Petersburg, GALANIKA Publ., 2022. 118 p. (In Russ.).

Шарапов Е.С. Совершенствование методов и средств квазинеразрушающего контроля физико-механических свойств древесины и древесных материалов: дис. … д-ра техн. наук. Архангельск, 2020. 340 с. Sharapov E.S. Improvement of Methods and Means of Quasi-non-Destructive Testing of Physical and Mechanical Properties of Wood and Wood-Based Materials: Dr. Engin. Sci. Diss. Arkhangelsk, 2020. 340 p. (In Russ.).

Ямпольский Д.З. О возможности определения энергии ударного импульса методом индикаторных диаграмм // Вестн. науч.-техн. развития. 2024. № 2(173). С. 9–15. Yampolsky D.Z. About the Possibility of Determining Energy of the Shock Pulse by the Method of Indicator Diagrams. Vestnik nauchno-tekhnicheskogo razvitiya = Bulletin of Science and Technical Development, 2024, no. 2(173), pp. 9–15. (In Russ.). https://doi.org/10.18411/vntr2024-173-2

Arriaga F., Osuna-Sequera C., Bobadilla I., Esteban M. Prediction of the Mechanical Properties of Timber Members in Existing Structures Using the Dynamic Modulus of Elasticity and Visual Grading Parameters. Construction and Building Materials, 2022, vol. 322, art. 126512. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126512

Bucur V. Acoustics of Wood. Ed. by T.E. Timell, R. Wimmer. Berlin, Springer, 2006. 393 p. https://doi.org/10.1007/3-540-30594-7

Da Veiga N.S., Soriano J. Sclerometric Index Evaluated Along the Depth of Cross-Section of Timber Beams. Scientia Forestalis, vol. 47, no. 122, pp. 359–373. (In Portuguese). https://doi.org/10.18671/scifor.v47n122.19

Jaskowska-Lemańska J., Wałach D., Górka-Stańczyk M. Correction Factors for Sclerometric Test Results in the Technical Assessment of Timber Structural Elements Under Diverse Conditions. Materials, 2023, vol. 16, iss. 24, art. 7582. https://doi.org/10.3390/ma16247582

Karlinasari L., Fredisa Y., Adzkia U., Fauziyyah S., Dwiyanti F., Siregar I.Z. Use of a Pin-Penetration Wood Density Meter to Determine the Density of 25 Indonesian Species. BioResources, 2021, vol. 16, iss. 2, pp. 3032–3045. https://doi.org/10.15376/biores.16.2.3032-3045

Kloiber M., Drdácký M., Machado J.S., Piazza M., Yamaguchi N. Prediction of Mechanical Properties by Means of Semi-Destructive Methods: A Review. Construction and Building Materials, 2015, vol. 101, part 2, pp. 1215–1234. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.05.134

Kloiber M., Drdácký M., Tippner J., Hrivnák J. Conventional Compressive Strength Parallel to the Grain and Mechanical Resistance of Wood Against Pin Penetration and Microdrilling Established by in-situ Semidestructive Devices. Materials and Structures, 2015, vol. 48, pp. 3217–3229. https://doi.org/10.1617/s11527-014-0392-6

Llana D.F., Short I., Harte A.M. Use of Non-Destructive Test Methods on Irish Hardwood Standing Trees and Small-Diameter Round Timber for Prediction of Mechanical Properties. Annals of Forest Science, 2020, vol. 77, iss. 3, art. 62. https://doi.org/10.1007/s13595-020-00957-x

Lorensani R.G.M., Gonçalves R. Machine Learning Algorithms and Nondestructive Methods for Estimating Wood Density in Planted Forest Trees. Forests, 2025, vol. 16, no. 2, art. 376. https://doi.org/10.3390/f16020376

Mäkipää R., Linkosalo T. A Non-Destructive Field Method for Measuring Wood Density of Decaying Logs. Silva Fennica, 2011, vol. 45, no. 5, art. 91. https://doi.org/10.14214/sf.91

Martins I.Z., Deldotti L.R., Soriano J., Faria D.L. Janka Hardness of Hardwood Species Evaluated by the Nondestructive Sclerometric Method. Materials and Structures, 2022, vol. 55, art. 227. https://doi.org/10.1617/s11527-022-02064-x

Mora C.R., Schimleck L.R., Isik F., Mahon J.M., Clark A., Daniels R.F. Relationship Between Acoustic Variables and Different Measures of Stiffness in Standing Pinus taeda Trees. Canadian Journal of Forest Research, 2009, vol. 39, no. 8, pp. 1421–1429. https://doi.org/10.1139/X09-062

Oliveira J.T.S., Wang X., Vidaurre G. Assessing Specific Gravity of Young Eucalyptus Plantation Trees Using a Resistance Drilling Technique. Holzforschung, 2017, vol. 71, no. 2, pp. 137–145. https://doi.org/10.1515/hf-2016-0058

Schimleck L., Dahlen J., Apiolaza L.A., Downes G., Emms G., Evans R., et al. Non-Destructive Evaluation Techniques and What They Tell Us About Wood Property Variation. Forests, 2019, vol. 10, iss. 9, art. 728. https://doi.org/10.3390/f10090728

Sharapov E., Demakov Yu., Korolev A. Effect of Plantation Density on Some Physical and Technological Parameters of Scots Pine (Pinus sylvestris L.). Forests, 2024, vol. 15, iss. 2, art. 233. https://doi.org/10.3390/f15020233

Soriano J., da Veiga N.S., Martins I.Z. Wood Density Estimation Using the Sclerometric Method. European Journal of Wood and Wood Products, 2015, vol. 73, pp. 753–758. https://doi.org/10.1007/s00107-015-0948-3

Soriano J., Gonçalves R., Bertoldo C., Trinca A.J. Application of Esclerometeric Test Method in Pieces of Eucalyptus saligna. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 2011, vol. 15(3), pp. 322–328. (In Portuguese). https://doi.org/10.1590/S1415-43662011000300015

Tannert T., Anthony R.W., Kasal B., Kloiber M., Piazza M., Riggio M., et al. In situ Assessment of Structural Timber Using Semi-Destructive Techniques. Materials and Structures, 2014, vol. 47, pp. 767–785. https://doi.org/10.1617/s11527-013-0094-5

Tippner J., Hrivnák J., Kloiber M. Experimental Evaluation of Mechanical Properties of Softwood Using Acoustic Methods. BioResources, 2016, vol. 11, iss. 1, pp. 503–518. https://doi.org/10.15376/biores.11.1.503-518

Wang X., Ross R.J., McClellan M., Barbour J., Erickson J.R., Forsman J.W., et al. Strength and Stiffness Assessment of Standing Trees Using a Nondestructive Stress Wave Technique. Research Paper FPL, RP–585. USDA Forest Service, 2000. 9 p.