Obliczana odporność drewna. właściwości drewna

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-18 04:24

Przy projektowaniu, opracowywaniu lub wytwarzaniu konstrukcji drewnianych ważne jest poznanie właściwości wytrzymałościowych materiału – odporności konstrukcyjnej drewna, mierzonej jako jeden kilogram na centymetr kwadratowy. Do badania wskaźników stosuje się próbki o standardowych rozmiarach, cięte z desek lub drewna o wymaganej klasie, bez wad zewnętrznych, sęków i innych wad. Następnie próbka jest testowana pod kątem wytrzymałości na ściskanie, zginanie, rozciąganie.

Rodzaje drewna

Drewno to uniwersalny materiał, który można łatwo przetwarzać i znajduje zastosowanie w różnych obszarach produkcji: budownictwie, meblach, naczyniach i innych artykułach gospodarstwa domowego. Obszar zastosowania uzależniony jest od gatunku drewna o różnych właściwościach fizycznych, chemicznych i mechanicznych. W budownictwie szczególnie popularne są takie drzewa iglaste jak świerk, cedr, sosna, modrzew, jodła. W mniejszym stopniu drzewa liściaste - brzoza, topola, osika, dąb, leszczyna, lipa, olcha, buk.

Odmiany iglaste są stosowane w postaci okrąglaków, tarcicy, desek do produkcji pali nośnych, kratownic, słupów, mostów, domów, łuków, obiektów przemysłowych i innych konstrukcji budowlanych. Materiały z twardego drewna stanowią tylko jedną czwartą całkowitego zużycia. Wynika to z gorszych właściwości fizycznych i mechanicznych drewna liściastego, dlatego starają się one być wykorzystywane do produkcji konstrukcji o niskim obciążeniu nośnym. Zwykle przechodzą do węzłów roboczych i tymczasowych obiektów.

Wykorzystanie drewna w budownictwie regulują przepisy zgodne z fizycznymi i mechanicznymi właściwościami drewna. Właściwości te zależą od wilgotności i obecności defektów. Dla elementów nośnych wilgotność nie powinna przekraczać 25%, dla pozostałych produktów nie ma takich wymagań, ale istnieją normy dotyczące określonych wad drewna.

Skład chemiczny

W 99% masy drewna stanowią substancje organiczne. Skład cząstek elementarnych dla wszystkich skał jest taki sam: azot, tlen, węgiel i wodór. Tworzą długie łańcuchy bardziej złożonych cząsteczek. Drewno składa się z:

• Celuloza to naturalny polimer o wysokim stopniu polimeryzacji cząsteczek łańcucha. Substancja bardzo stabilna, nie rozpuszcza się w wodzie, alkoholu ani eterze.
• Lignina to aromatyczny polimer o złożonej strukturze molekularnej. Zawiera dużą ilość węgla. Dzięki niemu pojawia się zdrewnienie pni drzew.
• Hemiceluloza jest analogiem zwykłej celulozy, ale o niższym stopniu polimeryzacji cząsteczek łańcucha.
• Ekstrakcjasubstancje - żywice, gumy, tłuszcze i pektyny.

Wysoka zawartość żywic w drzewach iglastych chroni materiał i pozwala mu zachować swoje pierwotne właściwości przez długi czas, pomagając oprzeć się wpływom zewnętrznym. Niskogatunkowe wyroby z drewna z dużą liczbą wad są wykorzystywane głównie w przemyśle chemicznym drewna jako surowiec do produkcji papieru, drewna klejonego lub do ekstrakcji pierwiastków chemicznych, takich jak garbniki wykorzystywane do produkcji skór.

Wygląd

Drewno ma następujące właściwości zewnętrzne:

• Kolor. Wizualna percepcja odbitego widmowego składu światła. Ważne przy wyborze tartaków jako materiału wykończeniowego.
• Zabarwienie zależy od wieku i rodzaju drzewa, a także warunków klimatycznych, w których rosło.
• Połysk. Zdolność do odbijania światła. Najwyższą stawkę notuje dąb, jesion, akacja.
• Tekstura. Wzór utworzony przez roczne słoje pnia.
• Mikrostruktura. Określane przez szerokość słojów i zawartość późnego drewna.

Wskaźniki są używane w zewnętrznej ocenie jakości pozyskiwania drewna. Kontrola wzrokowa ujawnia wady i przydatność materiałów do późniejszego użycia.

Defekty drewna

Pomimo oczywistych przewag nad materiałami syntetycznymi, drewno, jak każdy naturalny surowiec, ma swoje wady. Obecność, stopień i obszar zmiany jest regulowanydokumenty normatywne. Główne wady drewna to:

• pokonaj, gnicie, grzyby i szkodniki;
• ukośny;
• kieszenie żywiczne;
• węzły;
• pęknięcia.

Sęki zmniejszają wytrzymałość drewna, szczególnie ważna jest ich liczba, wielkość i położenie. Węzły są podzielone na typy:

• Zdrowe. Mocno rosną wraz z korpusem drzewka i mocno siedzą w kieszeniach, nie mają zgnilizny.
• Rozwijane. Po przecięciu materiału odklej się i odpadnij.
• Napalony. Ciemny kolor i gęstsza struktura w stosunku do sąsiedniego drewna;
• Zaciemnione. Węzły w początkowej fazie rozkładu.
• Luźne - zgniłe.

W zależności od lokalizacji węzły dzielą się na:

• szyte;
• pazury;
• zarośnięte;
• pasierbowie.

Skok zmniejsza również wytrzymałość drewna na zginanie i charakteryzuje się występowaniem pęknięć i spiralnych warstw w okrąglaku, w tarcicy są one skierowane pod kątem do żeber. Produkty z taką wadą są niskogatunkowe, używane wyłącznie jako tymczasowe umocnienia.

Przyczyny pęknięć zależą od warunków zewnętrznych i gatunku drewna. Powstają w wyniku nierównomiernego suszenia, mrozu, naprężeń mechanicznych i wielu innych czynników. Pojawiają się zarówno na drzewach żywych, jak i ściętych. W zależności od położenia na pniu i kształtu pęknięcia nazywamy:

• mroźny;
• sernitsa;
• metyka;
• skurcz.

Pęknięcia nie tylko obniżają jakość drewna, ale także przyczyniają się do szybkiego gnicia i niszczenia włókien.

Zgnilizna powstaje w wyniku infekcji gnijącymi i innymi rodzajami grzybów, które pojawiają się na rosnących i ścinanych drzewach. Grzyby żyjące na żywych pniach są pasożytami, które infekują słoje roczne i powodują ich złuszczanie. Inne gatunki osadzają się już na gotowych konstrukcjach i powodują gnicie, rozwarstwianie, pękanie.

Powodem pojawienia się szkodliwych organizmów jest sprzyjające środowisko do ich rozmnażania: wilgotność powyżej 50% i upał. Na dobrze wysuszonym drewnie nie rozwijają się mikroorganizmy. Specjalną kategorią szkodników powinny być owady, które wolą osiedlać się w drewnianych konstrukcjach, wykonując w nich ruchy, uszkadzając tym samym włókna i zmniejszając ich wytrzymałość.

Wilgotność drewna

Jeden z ważnych wskaźników normatywnej i projektowej odporności drewna. Wpływa na procentową zawartość wody we włóknach tułowia. Wilgotność - procent masy wilgoci do suchego materiału. Wzór obliczeniowy wygląda następująco: W=(m–m₀)/m₀ 100, gdzie m jest masą początkową przedmiotu, m 0 _{- masa bezwzględnej suchej próbki. Wilgotność określa się na dwa sposoby: przez suszenie i za pomocą specjalnych elektronicznych mierników wilgotności.}

Drewno dzieli się na kilka rodzajów w zależności od zawartości wilgoci:

• Mokro. Zwilgotność ponad 100%, co odpowiada długiemu przebywaniu w wodzie.
• Świeżo cięte. O zawartości od 50 do 100%.
• Suszenie na powietrzu. Z zawartością wody błonnikowej od 15 do 20%.
• Suche w pomieszczeniu. O zawartości wilgoci od 8 do 12%.
• Całkowicie suche. O zawartości wody 0%, uzyskanej przez suszenie w temperaturze 102°.

Woda jest w drzewie w postaci związanej i wolnej. Wolna wilgoć znajduje się w komórkach i przestrzeni międzykomórkowej, związana - w formie wiązań chemicznych.

Wpływ wilgoci na właściwości drewna

Istnieje kilka rodzajów właściwości w zależności od zawartości wilgoci w strukturze drewna:

• Skurcz to zmniejszenie objętości włókien pulpy drzewnej po usunięciu z nich związanej wody. Im więcej włókien, tym więcej wilgoci typu związanego. Usuwanie wilgoci nie daje takiego efektu.
• Wypaczenie - zmiana kształtu drewna w procesie suszenia. Występuje, gdy kłody nie są odpowiednio wysuszone lub przetarte.
• Wchłanianie wilgoci – higroskopijność drewna lub zdolność pochłaniania wilgoci z otoczenia.
• Pęcznienie - wzrost objętości włókien drewna, gdy materiał znajduje się w wilgotnym środowisku.
• Wchłanianie wody - zdolność drewna do zwiększania własnej wilgotności poprzez wchłanianie kapiącej cieczy.
• Gęstość - mierzona jako masa na jednostkę objętości. Wraz ze wzrostem wilgotności wzrasta gęstość i odwrotnie.
• Przepuszczalność - zdolność przepuszczania wody pod wysokim ciśnieniem.

Po wysuszeniudrewno traci naturalną elastyczność i staje się sztywniejsze.

Twardość

Współczynnik twardości jest określany metodą Brinella lub testem Yankee. Ich zasadnicza różnica polega na technice pomiaru. Według Brinella utwardzoną stalową kulkę umieszcza się na płaskiej, drewnianej powierzchni i przykłada do niej siłę 100 kilogramów, po czym mierzy się głębokość powstałego otworu.

Test Yankee wykorzystuje kulkę 0,4 cala i mierzy, ile siły w funtach potrzeba, aby wbić kulkę w drzewo o połowę jej średnicy. W związku z tym im wyższy wynik, tym twardsze drzewo i większy współczynnik. Jednak w ramach tej samej odmiany wskaźniki różnią się w zależności od metody cięcia, wilgotności i innych czynników.

Poniżej znajduje się tabela twardości drewna Brinella i Yankee dla najpopularniejszych gatunków.

Nazwa	Twardość Brinella, kg/mm2	Twardość Yankee, funty
Akacja	7, 1
Brzoza	3	1260
Brzoza karelska	3, 5	1800
Wiąz	3	1350
Gruszka	4, 2
Dąb	3, 7-3, 9	1360
Świerk		660
Lipa		400
Modrzew	2, 5	1200
olcha	3	590
orzech europejski	5
Orzech Hiszpański	3, 5
Aspen		420
Jodła		350-500
Rowan		830
Sosna	2, 5	380-1240
Wiśnia	3, 5
Jabłoń		1730
Popiół	4-4, 1	1320

Z tabeli twardości drewna wynika, że:

• osika, świerk jodła, sosna - bardzo miękkie drzewa;
• brzoza, lipa, olcha i modrzew to miękkie lasy;
• wiąz i orzech są średnio twarde;
• dąb, jabłko, wiśnia jesion, gruszka i mają współczynnik normalnej twardości;
• buk, szarańcza i cis to bardzo twarde odmiany.

Drewno liściaste jest trwałena naprężenia mechaniczne i jest stosowany do krytycznych elementów konstrukcji drewnianych.

Gęstość

Gęstość jest bezpośrednio związana z zawartością wilgoci we włóknach. Dlatego w celu uzyskania jednorodnych wskaźników pomiarowych suszy się go do poziomu 12%. Wzrost gęstości drewna prowadzi do wzrostu jego masy i wytrzymałości. Pod względem wilgotności drewno dzieli się na kilka grup:

• Najniższa gęstość skał (do 510 kg/m³). Należą do nich jodła, sosna, świerk, topola, cedr, wierzba i orzech.
• Czerwone o średniej gęstości (w zakresie 540-750 kg/m³). Należą do nich modrzew, cis, wiąz, brzoza, buk, gruszka, dąb, jesion, jarzębina, jabłko.
• Skały o dużej gęstości (ponad 750 kg/m³). Ta kategoria obejmuje brzozę i bulion.

Poniżej znajduje się tabela zagęszczenia dla różnych gatunków drzew.

Nazwa rasy	Gęstość skały, kg/m3
Akacja	830
Brzoza	540-700
Brzoza karelska	640-800
Buk	650-700
Wiśnia	490-670
Wiąz	670-710
Gruszka	690-800
Dąb	600-930
Świerk	400-500
Wierzba	460
Cedr	580-770
Klon europejski	530-650
Klon kanadyjski	530-720
klon polny	670
Modrzew	950-1020
olcha	380-640
Orzech	500-650
Aspen	360-560
Jodła	350-450
Rowan	700-810
Liliowy	800
Śliwka	800
Sosna	400-500
Topola	400-500
Tuja	340-390
Czeremcha	580-740
Wiśnia	630
Jabłoń	690-720

Gatunki iglaste mają najmniejsze zagęszczenie, podczas gdy gatunki liściaste mają największe zagęszczenie.

Stabilność

Wyliczona odporność drewna obejmuje coś takiego jak stabilność nanarażenie na wilgoć. Stopień jest mierzony w pięciostopniowej skali, gdy zmienia się wilgotność powietrza:

1. Niestabilność. Znaczące odkształcenia pojawiają się nawet przy niewielkiej zmianie wilgotności.
2. Średnia stabilność. Przy niewielkiej zmianie wilgotności pojawia się zauważalny stopień odkształcenia.
3. Względna stabilność. Pojawia się niewielki stopień odkształcenia z niewielką zmianą wilgotności.
4. Stabilność. Brak widocznych odkształceń przy niewielkiej zmianie wilgotności.
5. Bezwzględna stabilność. Nie ma absolutnie żadnych odkształceń nawet przy dużej zmianie wilgotności.

Poniżej znajduje się tabela stabilności popularnych gatunków drewna.

Nazwa rasy	Stopień stabilności
Akacja	2
Brzoza	3
Brzoza karelska	3
Buk	1
Wiśnia	4
Wiąz	2
Gruszka	2
Dąb	4
Świerk	2
Cedr	4
Klon europejski	2
Klon kanadyjski	2
Klon polny	1
Modrzew	2-3
olcha	1
Orzech amerykański	4
Brazylijski Orzech	2
Orzech	4
orzech europejski	4
Orzech Hiszpański	3
Aspen	1
Jodła	2
Topola	1
Czeremcha	1
Wiśnia	2
Jabłoń	2

Liczby obliczone dla drewna o wilgotności 12%.

Charakterystyka mechaniczna

Jakość drewna określają następujące wskaźniki:

• Odporność na zużycie - odporność drewna na zużycie podczas tarcia. Wraz ze wzrostem twardości materiału jego zużycie maleje wraz z nierównomiernym rozłożeniem na powierzchni próbki. Zawartość wilgoci w drewnie również wpływa na odporność na zużycie. Im jest niższy, tym wyższy opór.
• Odkształcalność - możliwość przywrócenia kształtu po zaniku sił działających. Kiedy drewno jest sprasowane,deformacja przedmiotu obrabianego, która znika wraz z obciążeniem. Głównym wskaźnikiem odkształcalności jest elastyczność, która wzrasta wraz z wilgotnością drewna. Wraz ze stopniowym wysychaniem traci się elastyczność, co prowadzi do zmniejszenia odporności na odkształcenia.
• Elastyczność – naturalna zdolność drewna do zginania się pod obciążeniem. Dobre wyniki osiągają gatunki liściaste, w mniejszym stopniu iglaste. Te zdolności są ważne przy wytwarzaniu produktów giętych, które najpierw są nawilżane, a następnie gięte i suszone.
• Siła uderzenia - zdolność do pochłaniania siły uderzenia bez wykruszania drewna. Testowanie odbywa się za pomocą stalowej kuli, która jest zrzucana na obrabiany przedmiot z wysokości. Odmiany liściaste wykazują lepsze wyniki niż iglaste.

Stałe obciążenia stopniowo pogarszają właściwości drewna i prowadzą do jego zmęczenia. Nawet najtrwalsze drzewo nie jest w stanie wytrzymać wpływów zewnętrznych.

Specyfikacje prawne

Wskaźniki odporności normatywnej są niezbędne do wytwarzania różnego rodzaju konstrukcji. Drewno uważa się za odpowiednie, jeśli wskaźniki nie są niższe niż wartości obliczone. W testach stosuje się tylko standardowe próbki o wilgotności nie większej niż 15%. W przypadku drewna o innej wartości wilgotności stosuje się specjalną formułę odporności projektowej, następnie wskaźniki przeliczane są na wartości standardowe.

Przy projektowaniu konstrukcji drewnianych ważna jest znajomość rzeczywistych wartości wytrzymałości materiału źródłowego. W rzeczywistości są one mniejsze od normatywnych uzyskanych na próbkach testowych. Dane referencyjneuzyskane przez załadowanie i odkształcenie próbek o standardowych rozmiarach.

Cechy projektu

Wytrzymałość projektowa drewna to naprężenia w różnych płaszczyznach próbek drewna wytworzone przez określone obciążenia, które drzewo może wytrzymać przez dowolny czas, aż do całkowitego zniszczenia. Liczby te różnią się pod względem rozciągania, ściskania, zginania, ścinania i kruszenia.

Rzeczywiste dane są uzyskiwane przez pomnożenie danych normatywnych przez współczynniki warunków pracy.

Nazwa	Współczynnik wytrzymałości konstrukcyjnej drewna
	Naprężenie wzdłuż włókien	Naprężenie w poprzek włókien	Odpryski
Modrzew	1, 2	1, 2	1
cedr syberyjski	0, 9	0, 9	0, 9
Sosna	0, 65	0, 65	0, 65
Jodła	0, 8	0, 8	0, 8
Dąb	1, 3	2	1, 3
Klon, Jesion	1, 3	2	1, 6
Akacja	1, 5	2, 2	1, 8
Buk, brzoza	1, 1	1, 6	1, 3
Wiąz	1	1, 6	1
Topola, olcha, osika, lipa	0, 8	1	0, 8

Na warunki pracy wpływa cała lista czynników. Powyższe współczynniki uwzględniają takie czynniki. Wszelkie wystawienie na działanie wilgoci na konstrukcjach powoduje zmniejszenie wydajności końcowej.

Wniosek

Przy projektowaniu konstrukcji drewnianych ważne jest, aby znać obliczone wskaźniki materiałów użytych w budownictwie. Poszczególne węzły będą podlegać stałym lub tymczasowym obciążeniom, które mogą doprowadzić do ich całkowitego zniszczenia. Dane określone w GOST i SNiP uzyskano poprzez badanie próbek standardowych. Jednak rzeczywiste wartości będą znacznie różnić się od normatywnych. W związku z tym do obliczeń wykorzystywane są wzory podane w normach.