Prilikom projektovanja, razvoja ili proizvodnje drvenih konstrukcija, važno je poznavati svojstva čvrstoće materijala - projektnu otpornost drveta, koja se meri kao jedan kilogram po kvadratnom centimetru. Za proučavanje indikatora koriste se uzorci standardnih veličina, izrezani od dasaka ili drveta traženog razreda, bez vanjskih nedostataka, čvorova i drugih nedostataka. Zatim se uzorak testira na otpornost na kompresiju, savijanje, istezanje.
Vrste drveta
Drvo je svestran materijal koji se lako obrađuje i koristi se u različitim oblastima proizvodnje: građevinarstvu, namještaju, posuđu i drugim kućnim potrepštinama. Područje primjene ovisi o vrsti drveta s različitim fizičkim, kemijskim i mehaničkim svojstvima. U građevinarstvu su posebno popularni četinari kao što su smreka, cedar, bor, ariš, jela. U manjoj mjeri listopadno drveće - breza, topola, jasika, hrast, lijeska, lipa, joha, bukva.
Sorte četinara koriste se u obliku oblovine, drvene građe, dasaka za izradu potpornih šipova, rešetki, stubova, mostova, kuća, lukova, industrijskih objekata i drugih građevinskih konstrukcija. Materijali od tvrdog drveta čine samo četvrtinu ukupne potrošnje. To je zbog lošijih fizičkih i mehaničkih svojstava tvrdog drveta, pa se pokušava koristiti za izradu konstrukcija s niskim nosivim opterećenjem. Obično idu do čvorova nacrta i privremenih objekata.
Upotreba drveta u građevinarstvu regulisana je pravilima u skladu sa fizičkim i mehaničkim svojstvima drveta. Ova svojstva zavise od vlažnosti i prisutnosti nedostataka. Za nosive elemente vlažnost ne bi trebalo da prelazi 25%, za ostale proizvode ne postoje takvi zahtevi, ali postoje standardi za specifične greške drveta.
Hemijski sastav
U 99% mase drveta su organske supstance. Sastav elementarnih čestica za sve stijene je isti: dušik, kisik, ugljik i vodonik. Oni formiraju dugačke lance složenijih molekula. Drvo se sastoji od:
- Celuloza je prirodni polimer sa visokim stepenom polimerizacije lančanih molekula. Veoma stabilna supstanca, ne rastvara se u vodi, alkoholu ili eteru.
- Lignin je aromatični polimer sa složenom molekularnom strukturom. Sadrži veliku količinu ugljika. Zahvaljujući njemu nastaje odrevljenje stabala.
- Hemiceluloza je analog obične celuloze, ali sa nižim stepenom polimerizacije lančanih molekula.
- Extractivesupstance - smole, gume, masti i pektini.
Visoki sadržaj smole u četinarskom drveću čuva materijal i omogućava mu da zadrži svoja originalna svojstva dugo vremena, pomažući da se odupre vanjskim utjecajima. Proizvodi od drveta niskog kvaliteta sa velikim brojem nedostataka uglavnom se koriste u drvohemijskoj industriji kao sirovina za proizvodnju papira, lepljenog drveta ili ekstrakciju hemijskih elemenata kao što su tanini koji se koriste u proizvodnji kože.
Izgled
Drvo ima sljedeća vanjska svojstva:
- Boja. Vizuelna percepcija reflektovanog spektralnog sastava svjetlosti. Važno pri odabiru trupaca kao završnog materijala.
- Boja zavisi od starosti i vrste drveta, kao i od klimatskih uslova u kojima je raslo.
- Sjaj. Sposobnost reflektiranja svjetlosti. Najveća stopa je zabilježena kod hrasta, jasena, bagrema.
- Texture. Uzorak formiran od godišnjih prstenova debla.
- Mikrostruktura. Određeno širinom prstena i sadržajem kasnog drveta.
Indikatori se koriste u eksternoj procjeni kvaliteta sječe. Vizuelni pregled otkriva nedostatke i prikladnost materijala za naknadnu upotrebu.
Defekti drveta
Uprkos očiglednim prednostima u odnosu na sintetizirane materijale, drvo, kao i svaka prirodna sirovina, ima svoje nedostatke. Reguliše se prisustvo, stepen i površina lezijenormativni dokumenti. Glavni nedostaci drveta uključuju:
- poraz, trulež, gljivice i štetočine;
- koso;
- džepovi od smole;
- čvorovi;
- cracks.
Čvorovitost smanjuje čvrstoću drva, od posebnog značaja je njihov broj, veličina i lokacija. Čvorovi se dijele na tipove:
- Zdravo. Čvrsto sraste s tijelom drveta i čvrsto sjedite u džepovima, bez truleži.
- Padajući meni. Oguliti i otpasti nakon piljenja materijala.
- Napaljeno. Tamne boje i gušće strukture u odnosu na susjedno drvo;
- Zamračeno. Čvorovi sa početnom fazom propadanja.
- Opušteno - pokvareno.
Prema lokaciji, čvorovi se dijele na:
- prošiveni;
- clawed;
- prerasli;
- posinci.
Kosi takođe smanjuje čvrstoću drveta na savijanje i karakteriše ga prisustvo pukotina i spiralnih slojeva u oblom drvetu, u rezanom materijalu oni su usmereni pod uglom u odnosu na rebra. Proizvodi sa takvim nedostatkom su niskog kvaliteta, koriste se isključivo kao privremena utvrđenja.
Uzroci pukotina ovise o vanjskim uvjetima i vrsti drveta. Nastaju kao rezultat neravnomjernog sušenja, mraza, mehaničkog naprezanja i mnogih drugih faktora. Pojavljuju se i na živim stablima i na posječenim. U zavisnosti od položaja na deblu i obliku, pukotine se nazivaju:
- frosty;
- sernitsa;
- metics;
- shrink.
Pukotine ne samo da smanjuju kvalitet drveta, već doprinose i brzom propadanju i uništavanju vlakana.
Trulež nastaje kao rezultat zaraze truležnim i drugim vrstama gljiva koje se pojavljuju na rastućem i oborenom drveću. Gljive koje žive na živim deblima su parazitske, koje inficiraju godišnje prstenove i uzrokuju njihovo ljuštenje. Druge vrste se talože već na gotovim konstrukcijama i uzrokuju propadanje, raslojavanje, pucanje.
Razlog za pojavu štetnih organizama je povoljno okruženje za njihovu reprodukciju: vlažnost preko 50% i toplota. Na dobro osušenom drvetu ne razvijaju se mikroorganizmi. Posebna kategorija štetočina trebala bi uključivati insekte koji se radije naseljavaju u drvenim konstrukcijama, povlačeći se u njima, oštećujući na taj način vlakna i smanjujući njihovu snagu.
Vlažnost drveta
Jedan od važnih pokazatelja za normativnu i dizajnersku otpornost drveta. Utiče na postotak vode u vlaknima trupa. Vlaga - procenat mase vlage prema suvom materijalu. Formula proračuna izgleda ovako: W=(m–m0)/m0 100, gdje je m početna masa radnog komada, m 0 - težina apsolutno suvog uzorka. Vlažnost se određuje na dva načina: sušenjem i upotrebom posebnih elektronskih mjerača vlage.
Drvo se deli na nekoliko vrsta prema sadržaju vlage:
- Mokro. Withsadržaj vlage veći od 100%, što odgovara dužem boravku u vodi.
- Svježe rezano. Sa sadržajem od 50 do 100%.
- Osušite na zraku. Sa sadržajem vode od vlakana od 15 do 20%.
- Sobno suvo. Sa sadržajem vlage od 8 do 12%.
- Totalno suvo. Sa 0% sadržaja vode, dobijeno sušenjem na 102°.
Voda je u drvetu u vezanom i slobodnom obliku. Slobodna vlaga je u ćelijama i međućelijskom prostoru, vezana - u obliku hemijskih veza.
Uticaj vlage na svojstva drveta
Postoji nekoliko vrsta svojstava u zavisnosti od sadržaja vlage u strukturi drveta:
- Skupljanje je smanjenje volumena vlakana drvne pulpe kada se iz njih ukloni vezana voda. Što više vlakana, to je više vlage vezanog tipa. Uklanjanje vlage ne daje takav efekat.
- Deformacija - promjena oblika drveta u procesu sušenja. Javlja se kada trupci nisu pravilno sušeni ili piljeni.
- Apsorpcija vlage - higroskopnost drveta ili sposobnost da apsorbuje vlagu iz okoline.
- Burenje - povećanje zapremine drvenih vlakana kada je materijal u vlažnom okruženju.
- Upijanje vode - sposobnost drveta da poveća sopstvenu vlagu upijanjem tečnosti koja kapa.
- Gustina - mjerena kao masa po jedinici zapremine. Kako se vlažnost povećava, gustina se povećava i obrnuto.
- Propustljivost - sposobnost prolaska vode kroz sebe pod visokim pritiskom.
Nakon sušenjadrvo gubi svoju prirodnu elastičnost i postaje čvršće.
Tvrdoća
Koeficijent tvrdoće se određuje korištenjem Brinellove metode ili Yankee testa. Njihova fundamentalna razlika leži u tehnici mjerenja. Prema Brinellu, kaljena čelična kugla se postavlja na ravnu drvenu površinu i na nju se primenjuje sila od 100 kilograma, nakon čega se meri dubina nastale rupe.
Yankee test koristi loptu od 0,4 inča i mjeri koliko je sile, u funtama, potrebno da se lopta gurne u stablo polovine prečnika. Shodno tome, što je rezultat veći, to je drvo tvrđe i koeficijent je veći. Međutim, unutar iste sorte, indikatori se razlikuju, koji zavise od načina rezanja, vlažnosti i drugih faktora.
U nastavku je tabela tvrdoće Brinell i Yankee drveta za najčešće vrste.
| Ime | Tvrdoća po Brinelu, kg/mm2 | Yankee tvrdoća, funti |
| Bagrem | 7, 1 | |
| Breza | 3 | 1260 |
| karelska breza | 3, 5 | 1800 |
| Brest | 3 | 1350 |
| Kruška | 4, 2 | |
| Hrast | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| Smreka | 660 | |
| Lipa | 400 | |
| ariš | 2, 5 | 1200 |
| Alder | 3 | 590 |
| evropski orah | 5 | |
| španski orah | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Fir | 350-500 | |
| Rowan | 830 | |
| Pine | 2, 5 | 380-1240 |
| Cherry | 3, 5 | |
| Jabuka | 1730 | |
| Ash | 4-4, 1 | 1320 |
Iz tabele tvrdoće drveta može se vidjeti da:
- jasika, smreka jela, bor - veoma meka stabla;
- breza, lipa, joha i ariš su meke šume;
- brest i orah su srednje tvrdi;
- hrast, jabuka, jasen, kruška i imaju koeficijent normalne tvrdoće;
- bukva, skakavac i tisa su veoma tvrde sorte.
Tvrdo drvo je izdržljivona mehanička naprezanja i koristi se za kritične komponente drvenih konstrukcija.
Gustina
Gustoća je direktno povezana sa sadržajem vlage u vlaknima. Stoga se, da bi se dobili homogeni indikatori mjerenja, suši do nivoa od 12%. Povećanje gustine drveta dovodi do povećanja njegove mase i snage. Prema vlazi, drvo se dijeli u nekoliko grupa:
- Stjene najniže gustine (do 510 kg/m3). Tu spadaju jela, bor, smreka, topola, kedar, vrba i orah.
- Crvene srednje gustine (u rasponu od 540-750 kg/m3). To uključuje ariš, tisu, brijest, brezu, bukvu, krušku, hrast, jasen, jabuku, jabuku.
- Stjene velike gustine (više od 750 kg/m3). Ova kategorija uključuje brezu i stoku.
U nastavku je tabela gustine za različite vrste drveća.
| ime pasmine | Gustoća stijena, kg/m3 |
| Bagrem | 830 |
| Breza | 540-700 |
| karelska breza | 640-800 |
| Beech | 650-700 |
| Cherry | 490-670 |
| Brest | 670-710 |
| Kruška | 690-800 |
| Hrast | 600-930 |
| Smreka | 400-500 |
| Willow | 460 |
| Cedar | 580-770 |
| evropski javor | 530-650 |
| kanadski javor | 530-720 |
| poljski javor | 670 |
| ariš | 950-1020 |
| Alder | 380-640 |
| Orah | 500-650 |
| Aspen | 360-560 |
| Fir | 350-450 |
| Rowan | 700-810 |
| Jorgovan | 800 |
| Šljiva | 800 |
| Pine | 400-500 |
| Topola | 400-500 |
| Thuya | 340-390 |
| Ptičja trešnja | 580-740 |
| Cherry | 630 |
| Jabuka | 690-720 |
Četinarske vrste imaju najmanju gustinu, dok listopadne vrste imaju najveću gustinu.
Stabilnost
Izračunati otpor drveta uključuje takvu stvar kao što je stabilnost naizlaganje vlazi. Stepen se mjeri na skali od pet tačaka kada se vlažnost zraka promijeni:
- Nestabilnost. Značajna deformacija se pojavljuje čak i uz malu promjenu vlažnosti.
- Prosječna stabilnost. Primjetan stepen deformacije javlja se uz malu promjenu vlažnosti.
- Relativna stabilnost. Pojavljuje se blagi stepen deformacije sa blagom promjenom vlažnosti.
- Stabilnost. Nema vidljivih deformacija uz malu promjenu vlažnosti.
- Apsolutna stabilnost. Apsolutno nema deformacije čak ni uz veliku promjenu vlažnosti.
U nastavku je grafikon stabilnosti uobičajenih vrsta drveta.
| ime pasmine | Stepen stabilnosti |
| Bagrem | 2 |
| Breza | 3 |
| karelska breza | 3 |
| Beech | 1 |
| Cherry | 4 |
| Brest | 2 |
| Kruška | 2 |
| Hrast | 4 |
| Smreka | 2 |
| Cedar | 4 |
| evropski javor | 2 |
| kanadski javor | 2 |
| poljski javor | 1 |
| ariš | 2-3 |
| Alder | 1 |
| američki orah | 4 |
| brazilski orah | 2 |
| Orah | 4 |
| evropski orah | 4 |
| španski orah | 3 |
| Aspen | 1 |
| Fir | 2 |
| Topola | 1 |
| Ptičja trešnja | 1 |
| Cherry | 2 |
| Jabuka | 2 |
Brojke su izračunate za drvo sa sadržajem vlage od 12%.
Mehaničke karakteristike
Kvalitet drveta određuju sljedeći pokazatelji:
- Otpornost na habanje - sposobnost drveta da se odupre habanju tokom trenja. S povećanjem tvrdoće materijala, njegovo trošenje se smanjuje s neravnomjernom raspodjelom po površini uzorka. Sadržaj vlage u drvetu također utiče na otpornost na habanje. Što je manji, veći je otpor.
- Deformabilnost - sposobnost vraćanja oblika nakon nestanka sila koje djeluju. Kada se drvo komprimuje,deformacija radnog komada, koja nestaje s opterećenjem. Glavni pokazatelj deformabilnosti je elastičnost, koja se povećava sa sadržajem vlage u drvu. Postepenim sušenjem gubi se elastičnost, što dovodi do smanjenja otpornosti na deformacije.
- Fleksibilnost - prirodna sposobnost drveta da se savija pod opterećenjem. Listopadne vrste imaju dobre performanse, četinari u manjoj mjeri. Ove sposobnosti su važne u proizvodnji savijenih proizvoda, koji se prvo navlaže, a zatim savijaju i suše.
- Udarna snaga - sposobnost apsorbiranja udarne sile bez cijepanja drveta. Ispitivanje se provodi čeličnom kuglom koja se s visine spušta na radni predmet. Listopadne sorte pokazuju bolje rezultate od četinara.
Stalna opterećenja postepeno pogoršavaju svojstva drveta i dovode do zamora materijala. Čak ni najizdržljivije drvo nije u stanju da izdrži vanjske uticaje.
Regulatorne specifikacije
Indikatori normativne otpornosti su neophodni za proizvodnju različitih tipova konstrukcija. Drvo se smatra prikladnim ako indikatori nisu niži od izračunatih vrijednosti. U ispitivanjima se koriste samo standardni uzorci sa sadržajem vlage ne većim od 15%. Za drvo sa različitom vrijednošću vlage koristi se posebna formula za konstrukcijsku otpornost, a zatim se indikatori pretvaraju u standardne vrijednosti.
Prilikom projektovanja drvenih konstrukcija važno je znati stvarne vrijednosti čvrstoće izvornog materijala. U stvarnosti, oni su manji od normativnih dobijenih na probnim uzorcima. Referentni podacidobijeno opterećenjem i deformacijom uzoraka standardnih veličina.
Dizajn karakteristike
Dizajnirana otpornost drveta je naprezanja u različitim ravnima drvenih uzoraka nastala određenim opterećenjima koja drvo može izdržati bilo koje vrijeme dok se potpuno ne uništi. Ove brojke se razlikuju za rastezanje, kompresiju, savijanje, smicanje i gnječenje.
Stvarni podaci se dobijaju množenjem normativnih podataka sa koeficijentima radnih uslova.
| Ime | Dizajn koeficijent otpornosti drveta | ||
| Naprezanje duž vlakana | Napetost preko vlakana | Chipping | |
| ariš | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| sibirski kedar | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| Pine | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Fir | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Hrast | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| javor, jasen | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Bagrem | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| bukva, breza | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Brest | 1 | 1, 6 | 1 |
| Topola, joha, jasika, lipa | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
Na uslove rada utiče čitav spisak faktora. Gore navedeni koeficijenti uzimaju u obzir takve faktore. Svako izlaganje vlazi na konstrukcijama rezultira smanjenjem konačnih performansi.
Zaključak
Prilikom projektovanja drvenih konstrukcija važno je znati izračunate pokazatelje materijala koji se koriste u izgradnji. Pojedini čvorovi će doživjeti trajna ili privremena opterećenja koja mogu dovesti do njihovog potpunog uništenja. Podaci navedeni u GOST-u i SNiP-u dobiveni su ispitivanjem standardnih uzoraka. Međutim, stvarne vrijednosti će se uvelike razlikovati od normativnih. Stoga se formule predviđene standardima koriste za proračune.
