Při navrhování, vývoji nebo výrobě dřevěných konstrukcí je důležité znát pevnostní vlastnosti materiálu – návrhovou odolnost dřeva, která se měří jako jeden kilogram na centimetr čtvereční. Ke studiu ukazatelů se používají vzorky standardních velikostí, řezané z desek nebo řeziva požadované jakosti, bez vnějších vad, suků a jiných vad. Dále je vzorek testován na odolnost vůči stlačení, ohybu, roztažení.
Druhy dřeva
Dřevo je všestranný materiál, který lze snadno opracovat a používá se v různých oblastech výroby: stavebnictví, nábytek, nádobí a další předměty pro domácnost. Oblast použití závisí na druhu dřeva s různými fyzikálními, chemickými a mechanickými vlastnostmi. Ve stavebnictví jsou obzvláště oblíbené jehličnany jako smrk, cedr, borovice, modřín, jedle. V menší míře listnáče - bříza, topol, osika, dub, líska, lípa, olše, buk.
Odrůdy jehličnanů se používají ve formě kulatiny, dřeva, prken pro výrobu podpěrných pilot, krovů, sloupů, mostů, domů, oblouků, průmyslových objektů a dalších stavebních konstrukcí. Materiály z tvrdého dřeva tvoří pouze čtvrtinu celkové spotřeby. To je způsobeno horšími fyzikálními a mechanickými vlastnostmi tvrdého dřeva, takže se snaží být používáno pro výrobu konstrukcí s nízkým zatížením ložisek. Obvykle jdou do uzlů konceptu a dočasných objektů.
Použití dřeva ve stavebnictví se řídí pravidly v souladu s fyzikálními a mechanickými vlastnostmi dřeva. Tyto vlastnosti závisí na vlhkosti a přítomnosti defektů. U nosných prvků by vlhkost neměla překročit 25 %, pro ostatní výrobky takové požadavky nejsou, ale existují normy pro konkrétní vady dřeva.
Chemické složení
V 99 % hmoty dřeva jsou organické látky. Složení elementárních částic pro všechny horniny je stejné: dusík, kyslík, uhlík a vodík. Tvoří dlouhé řetězce složitějších molekul. Dřevo se skládá z:
- Celulóza je přírodní polymer s vysokým stupněm polymerace řetězcových molekul. Velmi stabilní látka, nerozpouští se ve vodě, alkoholu ani éteru.
- Lignin je aromatický polymer se složitou molekulární strukturou. Obsahuje velké množství uhlíku. Díky němu dochází k lignifikaci kmenů stromů.
- Hemicelulóza je analogem běžné celulózy, ale s nižším stupněm polymerace řetězcových molekul.
- Extraktnílátky – pryskyřice, gumy, tuky a pektiny.
Vysoký obsah pryskyřic v jehličnatých stromech zachovává materiál a umožňuje mu uchovat si jeho původní vlastnosti po dlouhou dobu, čímž pomáhá odolávat vnějším vlivům. Nekvalitní dřevěné výrobky s vysokým počtem defektů se používají především v dřevařském chemickém průmyslu jako surovina pro výrobu papíru, lepeného dřeva nebo extrakci chemických prvků, jako jsou taniny používané při výrobě kůže.
Vzhled
Dřevo má následující vnější vlastnosti:
- Barva. Vizuální vnímání odraženého spektrálního složení světla. Důležité při výběru kulatiny jako dokončovacího materiálu.
- Zbarvení závisí na věku a typu stromu a také na klimatických podmínkách, kde rostl.
- Svítit. Schopnost odrážet světlo. Nejvyšší hodnota je zaznamenána u dubu, jasanu, akácie.
- Textura. Vzor tvořený letokruhy kmene.
- Mikrostruktura. Určeno šířkou prstenu a obsahem latewoodu.
Ukazatele se používají při externím hodnocení kvality těžby dřeva. Vizuální kontrola odhalí vady a vhodnost materiálů pro následné použití.
Vady dřeva
Navzdory zjevným výhodám oproti syntetickým materiálům má dřevo, stejně jako každá přírodní surovina, své nevýhody. Přítomnost, stupeň a oblast léze je regulovánanormativní dokumenty. Mezi hlavní vady dřeva patří:
- porážka, hniloba, houby a škůdci;
- oblique;
- pryskyřičné kapsy;
- uzly;
- cracks.
Sukovitost snižuje pevnost dřeva, zvláště důležitý je jeho počet, velikost a umístění. Uzly se dělí na typy:
- Zdravé. Pevně roste s tělem stromu a sedí pevně v kapsách, nehnije.
- Rozbalovací nabídka. Po řezání materiálu se odloupněte a odpadněte.
- Nadržený. Tmavá barva a hustší struktura ve srovnání se sousedním dřevem;
- Ztemnělý. Uzly s počáteční fází rozkladu.
- Uvolněné – shnilé.
Podle umístění se uzly dělí na:
- stitched;
- clawed;
- zarostlé;
- nevlastní synové.
Šikmost také snižuje pevnost dřeva v ohybu a vyznačuje se přítomností trhlin a spirálovitých vrstev v kulatě, v řezaném materiálu jsou směřovány pod úhlem k žebrům. Výrobky s takovou vadou jsou nízké kvality a používají se výhradně jako dočasné opevnění.
Příčiny prasklin závisí na vnějších podmínkách a druzích dřeva. Vznikají v důsledku nerovnoměrného vysychání, mrazu, mechanického namáhání a mnoha dalších faktorů. Objevují se jak na živých stromech, tak na řezaných. V závislosti na poloze na kmeni a tvaru se trhliny nazývají:
- frosty;
- sernitsa;
- metics;
- zmenšit.
Praskliny nejen snižují kvalitu dřeva, ale přispívají také k rychlému rozkladu a destrukci vláken.
Hniloba vzniká v důsledku infekce hnilobnými a jinými druhy hub, které se objevují na rostoucích a pokácených stromech. Houby žijící na živých kmenech jsou parazitické, které infikují letokruhy a způsobují jejich odlupování. Jiné druhy se usazují již na hotových konstrukcích a způsobují rozklad, delaminaci, praskání.
Důvodem výskytu škodlivých organismů je příznivé prostředí pro jejich rozmnožování: vlhkost nad 50 % a teplo. Na dobře vysušeném dřevě se mikroorganismy nevyvíjejí. Zvláštní kategorií škůdců by měl být hmyz, který se raději usazuje v dřevěných konstrukcích, dělá v nich pohyby, čímž poškozuje vlákna a snižuje jejich pevnost.
Vlhkost dřeva
Jeden z důležitých ukazatelů pro normativní a návrhovou odolnost dřeva. Ovlivňuje procento vody ve vláknech kmene. Vlhkost - procento hmotnosti vlhkosti k suchému materiálu. Výpočtový vzorec vypadá takto: W=(m–m0)/m0 100, kde m je počáteční hmotnost obrobku, m 0 - hmotnost absolutního suchého vzorku. Vlhkost se určuje dvěma způsoby: sušením a pomocí speciálních elektronických vlhkoměrů.
Dřevo se dělí na několik druhů podle obsahu vlhkosti:
- Mokrý. Sobsah vlhkosti vyšší než 100 %, což odpovídá dlouhému pobytu ve vodě.
- Čerstvě řezané. S obsahem 50 až 100 %.
- Sušit na vzduchu. S obsahem vlákniny od 15 do 20 %.
- Suché v místnosti. S obsahem vlhkosti 8 až 12 %.
- Úplně suché. S 0% obsahem vody, získané sušením při 102°.
Voda je ve stromu ve vázané a volné formě. Volná vlhkost je v buňkách a mezibuněčném prostoru vázaná - ve formě chemických vazeb.
Vliv vlhkosti na vlastnosti dřeva
Existuje několik typů vlastností v závislosti na obsahu vlhkosti ve struktuře dřeva:
- Smrštění je zmenšení objemu vláken dřevité buničiny, když se z nich odstraní vázaná voda. Čím více vláken, tím více vlhkosti vázaného typu. Odstranění vlhkosti nedává takový účinek.
- Deformace - změna tvaru dřeva v procesu sušení. Vyskytuje se, když polena nejsou řádně vysušena nebo nařezána.
- Absorpce vlhkosti – hygroskopicita dřeva nebo schopnost absorbovat vlhkost z prostředí.
- Botnání – zvětšení objemu dřevěných vláken, když je materiál ve vlhkém prostředí.
- Absorpce vody – schopnost dřeva zvyšovat svou vlastní vlhkost pohlcováním kapající kapaliny.
- Hustota – měřená jako hmotnost na jednotku objemu. S rostoucí vlhkostí se zvyšuje hustota a naopak.
- Propustnost – schopnost propouštět vodu skrz sebe pod vysokým tlakem.
Po vysušenídřevo ztrácí svou přirozenou elasticitu a stává se tužším.
Tvrdost
Koeficient tvrdosti se určuje pomocí Brinellovy metody nebo Yankee testu. Jejich zásadní rozdíl spočívá v technice měření. Podle Brinella se na rovný dřevěný povrch umístí tvrzená ocelová koule a působí se na ni silou 100 kilogramů, načež se změří hloubka výsledného otvoru.
Test Yankee používá 0,4palcovou kouli a měří, jakou sílu v librách je potřeba k zatlačení koule o polovině průměru do stromu. V souladu s tím, čím vyšší je výsledek, tím tvrdší strom a vyšší koeficient. V rámci stejné odrůdy se však ukazatele liší, což závisí na způsobu řezání, vlhkosti a dalších faktorech.
Níže je tabulka tvrdosti dřeva podle Brinella a Yankee pro nejběžnější druhy.
| Jméno | Tvrdost Brinell, kg/mm2 | Tvrdost Yankee, libry |
| Acacia | 7, 1 | |
| Birch | 3 | 1260 |
| Karelská bříza | 3, 5 | 1800 |
| Jilm | 3 | 1350 |
| Hruška | 4, 2 | |
| Dub | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| Smrk | 660 | |
| Linden | 400 | |
| modřín | 2, 5 | 1200 |
| Olše | 3 | 590 |
| Ořech evropský | 5 | |
| Španělský ořech | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Fir | 350–500 | |
| Rowan | 830 | |
| Borovice | 2, 5 | 380-1240 |
| Třešeň | 3, 5 | |
| Jabloň | 1730 | |
| Ash | 4-4, 1 | 1320 |
Z tabulky tvrdosti dřeva je vidět, že:
- osika, smrková jedle, borovice - velmi měkké stromy;
- bříza, lípa, olše a modřín jsou měkké dřeviny;
- jilm a ořech jsou středně tvrdé;
- dub, jablko, třešeň jasan, hruška a mají koeficient normální tvrdosti;
- buk, akát a tis jsou velmi tvrdé odrůdy.
Tvrdé dřevo je odolnémechanickému namáhání a používá se pro kritické součásti dřevěných konstrukcí.
Hustota
Hustota přímo souvisí s obsahem vlhkosti ve vláknech. Proto, aby se získaly homogenní indikátory měření, suší se na úroveň 12%. Zvýšení hustoty dřeva vede ke zvýšení jeho hmotnosti a pevnosti. Podle vlhkosti se dřevo dělí do několika skupin:
- Horniny s nejnižší hustotou (až 510 kg/m3). Patří mezi ně jedle, borovice, smrk, topol, cedr, vrba a ořech.
- Červené se střední hustotou (v rozmezí 540-750 kg/m3). Patří sem modřín, tis, jilm, bříza, buk, hruška, dub, jasan, jeřáb, jabloň.
- Horniny s vysokou hustotou (více než 750 kg/m3). Tato kategorie zahrnuje břízu a sklad.
Níže je tabulka hustoty pro různé druhy stromů.
| Název plemene | Hustota horniny, kg/m3 |
| Acacia | 830 |
| Birch | 540–700 |
| Karelská bříza | 640–800 |
| Buk | 650–700 |
| Třešeň | 490–670 |
| Jilm | 670-710 |
| Hruška | 690–800 |
| Dub | 600–930 |
| Smrk | 400–500 |
| Willow | 460 |
| Cedr | 580–770 |
| javor evropský | 530–650 |
| Kanadský javor | 530-720 |
| javor polní | 670 |
| modřín | 950-1020 |
| Olše | 380–640 |
| Vlašský ořech | 500–650 |
| Aspen | 360–560 |
| Fir | 350–450 |
| Rowan | 700–810 |
| Šeřík | 800 |
| Švestka | 800 |
| Borovice | 400–500 |
| Topol | 400–500 |
| Thuya | 340–390 |
| Třešeň ptačí | 580-740 |
| Třešeň | 630 |
| Jabloň | 690-720 |
Jehličnaté druhy mají nejnižší hustotu, zatímco listnaté druhy mají nejvyšší hustotu.
Stabilita
Vypočítaná odolnost dřeva zahrnuje něco jako stabilituvystavení vlhkosti. Stupeň se měří na pětibodové stupnici při změně vlhkosti vzduchu:
- Nestabilita. I při nepatrné změně vlhkosti se objeví výrazná deformace.
- Průměrná stabilita. Znatelný stupeň deformace se objeví s mírnou změnou vlhkosti.
- Relativní stabilita. Při mírné změně vlhkosti se objeví mírný stupeň deformace.
- Stabilita. Žádná viditelná deformace s mírnou změnou vlhkosti.
- Absolutní stabilita. Nedochází k žádné deformaci ani při velké změně vlhkosti.
Níže je tabulka stability běžných dřevin.
| Název plemene | Stupeň stability |
| Acacia | 2 |
| Birch | 3 |
| Karelská bříza | 3 |
| Buk | 1 |
| Třešeň | 4 |
| Jilm | 2 |
| Hruška | 2 |
| Dub | 4 |
| Smrk | 2 |
| Cedr | 4 |
| Evropský javor | 2 |
| Kanadský javor | 2 |
| Javor polní | 1 |
| modřín | 2-3 |
| Olše | 1 |
| Americký ořech | 4 |
| Brazilský ořech | 2 |
| Vlašský ořech | 4 |
| Ořech evropský | 4 |
| Španělský ořech | 3 |
| Aspen | 1 |
| Fir | 2 |
| Topol | 1 |
| Třešeň ptačí | 1 |
| Třešeň | 2 |
| Jabloň | 2 |
Údaje jsou vypočteny pro dřevo s obsahem vlhkosti 12 %.
Mechanické vlastnosti
Kvalitu dřeva určují následující ukazatele:
- Odolnost proti opotřebení – schopnost dřeva odolávat opotřebení během tření. S nárůstem tvrdosti materiálu klesá jeho opotřebení při nerovnoměrném rozložení po povrchu vzorku. Vlhkost dřeva také ovlivňuje odolnost proti opotřebení. Čím nižší, tím vyšší odpor.
- Deformovatelnost - schopnost obnovit tvar po vymizení působících sil. Když se dřevo stlačí,deformace obrobku, která mizí se zatížením. Hlavním ukazatelem deformovatelnosti je elasticita, která se zvyšuje s vlhkostí dřeva. Postupným vysycháním se ztrácí elasticita, což vede ke snížení odolnosti proti deformaci.
- Flexibilita – přirozená schopnost dřeva ohýbat se při zatížení. Dobrou užitkovost mají listnaté druhy, v menší míře jehličnany. Tyto schopnosti jsou důležité při výrobě ohýbaných výrobků, které se nejprve navlhčí a poté ohýbají a suší.
- Rázová pevnost - schopnost absorbovat rázovou sílu, aniž by se dřevo štípalo. Testování se provádí pomocí ocelové koule, která se spouští na obrobek z výšky. Listnaté odrůdy vykazují lepší výsledky než jehličnany.
Stálé zatížení postupně zhoršuje vlastnosti dřeva a vede k únavě materiálu. Ani ten nejodolnější strom není schopen odolat vnějším vlivům.
Regulační specifikace
Ukazatele normativní odolnosti jsou nezbytné pro výrobu různých typů konstrukcí. Dřevo je považováno za vhodné, pokud ukazatele nejsou nižší než vypočítané hodnoty. Při zkouškách se používají pouze standardní vzorky s obsahem vlhkosti nejvýše 15 %. Pro dřevo s jinou hodnotou vlhkosti se používá speciální vzorec pro návrhovou odolnost, poté jsou indikátory převedeny na standardní hodnoty.
Při navrhování dřevěných konstrukcí je důležité znát skutečné hodnoty pevnosti výchozího materiálu. Ve skutečnosti jsou menší než normativní hodnoty získané na zkušebních vzorcích. Referenční údajezískané zatížením a deformací vzorků standardních velikostí.
Charakteristiky designu
Konstrukční odolnost dřeva je napětí v různých rovinách dřevěných vzorků vytvořené určitými zatíženími, kterým strom vydrží libovolnou dobu, dokud není zcela zničen. Tyto údaje se liší pro natažení, stlačení, ohýbání, střih a drcení.
Skutečné hodnoty se získají vynásobením normativních údajů koeficienty pracovních podmínek.
| Jméno | Konstrukční koeficient odolnosti dřeva | ||
| Napětí podél vláken | Napětí napříč vlákny | Čipování | |
| modřín | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| sibiřský cedr | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| Borovice | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Fir | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Dub | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| Javor, jasan | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Acacia | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| Buk, bříza | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Jilm | 1 | 1, 6 | 1 |
| Topol, olše, osika, lípa | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
Na pracovní podmínky má vliv celá řada faktorů. Výše uvedené koeficienty takové faktory zohledňují. Jakékoli vystavení konstrukcí vlhkosti má za následek snížení konečného výkonu.
Závěr
Při navrhování dřevěných konstrukcí je důležité znát vypočítané ukazatele materiálů použitých ve stavbě. Jednotlivé uzly budou vystaveny trvalému nebo dočasnému zatížení, které může vést k jejich úplnému zničení. Údaje specifikované v GOST a SNiP byly získány testováním standardních vzorků. Skutečné hodnoty se však budou značně lišit od normativních. Proto se pro výpočty používají vzorce poskytované normami.
