Pri navrhovaní, vývoji alebo výrobe drevených konštrukcií je dôležité poznať pevnostné vlastnosti materiálu – návrhovú odolnosť dreva, ktorá sa meria ako jeden kilogram na štvorcový centimeter. Na štúdium ukazovateľov sa používajú vzorky štandardných veľkostí, rezané z dosiek alebo dreva požadovanej kvality, bez vonkajších defektov, uzlov a iných defektov. Ďalej sa vzorka testuje na odolnosť voči stlačeniu, ohýbaniu, rozťahovaniu.
Druhy dreva
Drevo je všestranný materiál, ktorý sa dá ľahko spracovať a používa sa v rôznych oblastiach výroby: stavebníctvo, nábytok, riad a iné predmety pre domácnosť. Oblasť použitia závisí od druhu dreva s rôznymi fyzikálnymi, chemickými a mechanickými vlastnosťami. V stavebníctve sú obzvlášť obľúbené také ihličnany ako smrek, céder, borovica, smrekovec, jedľa. V menšej miere listnaté stromy - breza, topoľ, osika, dub, lieska, lipa, jelša, buk.
Odrody ihličnanov sa používajú vo forme guľatiny, dreva, dosiek na výrobu nosných pilót, krovov, stĺpov, mostov, domov, oblúkov, priemyselných zariadení a iných stavebných konštrukcií. Materiály z tvrdého dreva tvoria len štvrtinu celkovej spotreby. Je to spôsobené horšími fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami reziva z tvrdého dreva, preto sa snažia používať na výrobu konštrukcií s nízkym zaťažením. Zvyčajne idú do uzlov konceptu a dočasných objektov.
Použitie dreva v stavebníctve sa riadi pravidlami v súlade s fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami dreva. Tieto vlastnosti závisia od vlhkosti a prítomnosti defektov. Pri nosných prvkoch by vlhkosť nemala presiahnuť 25 %, pre ostatné výrobky takéto požiadavky nie sú, ale existujú normy pre špecifické chyby dreva.
Chemické zloženie
V 99% hmoty dreva sú organické látky. Zloženie elementárnych častíc pre všetky horniny je rovnaké: dusík, kyslík, uhlík a vodík. Tvoria dlhé reťazce zložitejších molekúl. Drevo pozostáva z:
- Celulóza je prírodný polymér s vysokým stupňom polymerizácie molekúl reťazca. Veľmi stabilná látka, nerozpúšťa sa vo vode, alkohole ani éteri.
- Lignín je aromatický polymér so zložitou molekulárnou štruktúrou. Obsahuje veľké množstvo uhlíka. Vďaka nemu dochádza k lignifikácii kmeňov stromov.
- Hemicelulóza je analógom bežnej celulózy, ale s nižším stupňom polymerizácie reťazcových molekúl.
- Extraktnýlátky – živice, gumy, tuky a pektíny.
Vysoký obsah živíc v ihličnatých stromoch zachováva materiál a umožňuje mu zachovať si svoje pôvodné vlastnosti po dlhú dobu, čím pomáha odolávať vonkajším vplyvom. Nekvalitné drevené výrobky s vysokým počtom defektov sa používajú najmä v drevochemickom priemysle ako surovina na výrobu papiera, lepeného dreva alebo extrakciu chemických prvkov, ako sú triesloviny používané pri výrobe kože.
Vzhľad
Drevo má nasledujúce vonkajšie vlastnosti:
- Farba. Vizuálne vnímanie odrazeného spektrálneho zloženia svetla. Dôležité pri výbere guľatiny ako dokončovacieho materiálu.
- Sfarbenie závisí od veku a typu stromu, ako aj od klimatických podmienok, kde rástol.
- Svieti. Schopnosť odrážať svetlo. Najvyššia miera je zaznamenaná v prípade dubu, jaseňa, akácie.
- Textúra. Vzor tvorený letokruhmi kmeňa.
- Mikroštruktúra. Určené šírkou prstenca a obsahom neskorého dreva.
Ukazovatele sa používajú pri externom hodnotení kvality ťažby dreva. Vizuálna kontrola odhalí chyby a vhodnosť materiálov na následné použitie.
Chyby dreva
Napriek zjavným výhodám oproti syntetickým materiálom má drevo, ako každá prírodná surovina, svoje nevýhody. Prítomnosť, stupeň a oblasť lézie je regulovanánormatívne dokumenty. Medzi hlavné chyby dreva patria:
- porážka, hniloba, huby a škodcovia;
- oblique;
- živicové vrecká;
- uzly;
- cracks.
Sukovitosť znižuje pevnosť dreva, obzvlášť dôležitý je jeho počet, veľkosť a umiestnenie. Uzly sa delia na typy:
- Zdravé. Pevne rásť spolu s telom stromu a pevne sedieť vo vreckách, nemať hnilobu.
- Rozbaľovacia ponuka. Po narezaní materiálu sa odlúpnite a odpadnite.
- Nadržaný. Tmavá farba a hustejšia štruktúra v porovnaní so susedným drevom;
- Stmavené. Uzly s počiatočným štádiom rozkladu.
- Uvoľnené – zhnité.
Podľa miesta sa uzly delia na:
- stitched;
- clawed;
- overgrown;
- nevlastní synovia.
Šikmosť tiež znižuje pevnosť dreva v ohybe a vyznačuje sa prítomnosťou trhlín a špirálovitých vrstiev v guľatine, v rezanom materiáli sú nasmerované pod uhlom k rebrám. Výrobky s takouto chybou sú nízkej kvality, používajú sa výlučne ako dočasné opevnenia.
Príčiny prasklín závisia od vonkajších podmienok a druhu dreva. Vznikajú v dôsledku nerovnomerného vysychania, mrazu, mechanického namáhania a mnohých ďalších faktorov. Objavujú sa ako na živých stromoch, tak aj na rezaných. V závislosti od polohy na kmeni a tvaru sa trhliny nazývajú:
- frosty;
- sernitsa;
- metics;
- zmenšiť.
Praskliny nielen znižujú kvalitu dreva, ale prispievajú aj k rýchlemu rozkladu a deštrukcii vlákien.
Hniloba vzniká v dôsledku infekcie hnilobnými a inými druhmi húb, ktoré sa objavujú na rastúcich a vyrúbaných stromoch. Huby žijúce na živých kmeňoch sú parazitické, ktoré infikujú letokruhy a spôsobujú ich odlupovanie. Iné druhy sa usadzujú už na hotových konštrukciách a spôsobujú rozklad, delamináciu, praskanie.
Dôvodom výskytu škodlivých organizmov je priaznivé prostredie pre ich rozmnožovanie: vlhkosť nad 50% a teplo. Na dobre vysušenom dreve sa mikroorganizmy nevyvíjajú. Špeciálna kategória škodcov by mala zahŕňať hmyz, ktorý sa radšej usadzuje v drevených konštrukciách, robí v nich pohyby, čím poškodzuje vlákna a znižuje ich pevnosť.
Vlhkosť dreva
Jeden z dôležitých ukazovateľov normatívnej a konštrukčnej odolnosti dreva. Ovplyvňuje percento vody vo vláknach kmeňa. Vlhkosť - percento hmotnosti vlhkosti k suchému materiálu. Výpočtový vzorec vyzerá takto: W=(m–m0)/m0 100, kde m je počiatočná hmotnosť obrobku, m 0 - hmotnosť absolútnej suchej vzorky. Vlhkosť sa určuje dvoma spôsobmi: sušením a použitím špeciálnych elektronických vlhkomerov.
Drevo sa delí na niekoľko druhov podľa obsahu vlhkosti:
- Mokré. Sobsah vlhkosti viac ako 100%, čo zodpovedá dlhodobému pobytu vo vode.
- Čerstvo rezané. S obsahom 50 až 100 %.
- Sušiť na vzduchu. S obsahom vlákninovej vody v rozmedzí od 15 do 20 %.
- Suché v miestnosti. S obsahom vlhkosti 8 až 12 %.
- Úplne suché. S 0% obsahom vody, získaný sušením pri 102°.
Voda je v strome vo viazanej a voľnej forme. Voľná vlhkosť je v bunkách a medzibunkovom priestore viazaná - vo forme chemických väzieb.
Vplyv vlhkosti na vlastnosti dreva
Existuje niekoľko typov vlastností v závislosti od obsahu vlhkosti v štruktúre dreva:
- Zmršťovanie je zmenšenie objemu vlákien drevnej buničiny, keď sa z nich odstráni viazaná voda. Čím viac vlákien, tým viac vlhkosti viazaného typu. Odstránenie vlhkosti nedáva taký účinok.
- Deformovanie - zmena tvaru dreva v procese sušenia. Vyskytuje sa, keď polená nie sú správne vysušené alebo narezané.
- Absorpcia vlhkosti – hygroskopickosť dreva alebo schopnosť absorbovať vlhkosť z prostredia.
- Napučiavanie - zväčšenie objemu drevených vlákien, keď je materiál vo vlhkom prostredí.
- Absorpcia vody – schopnosť dreva zvyšovať svoju vlastnú vlhkosť absorbovaním kvapkajúcej tekutiny.
- Hustota – meraná ako hmotnosť na jednotku objemu. So zvyšujúcou sa vlhkosťou sa zvyšuje hustota a naopak.
- Priepustnosť – schopnosť prejsť cez seba vodu pod vysokým tlakom.
Po vysušenídrevo stráca svoju prirodzenú elasticitu a stáva sa tuhším.
Tvrdosť
Koeficient tvrdosti sa určuje pomocou Brinellovej metódy alebo Yankeeho testu. Ich zásadný rozdiel spočíva v technike merania. Podľa Brinella sa na rovný drevený povrch umiestni guľa z tvrdenej ocele a pôsobí sa na ňu silou 100 kilogramov, potom sa meria hĺbka výsledného otvoru.
Test Yankee používa 0,4-palcovú loptičku a meria, koľko sily v librách je potrebné na zatlačenie loptičky polovice priemeru do stromu. V súlade s tým, čím vyšší je výsledok, tým je strom tvrdší a tým väčší je koeficient. V rámci tej istej odrody sa však ukazovatele líšia, ktoré závisia od spôsobu rezu, vlhkosti a iných faktorov.
Nižšie je tabuľka tvrdosti dreva Brinell a Yankee pre najbežnejšie druhy.
| Meno | Tvrdosť podľa Brinella, kg/mm2 | Tvrdosť Yankee, libry |
| Acacia | 7, 1 | |
| Birch | 3 | 1260 |
| Karelian breza | 3, 5 | 1800 |
| Belm | 3 | 1350 |
| Hruška | 4, 2 | |
| Dub | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| Smrek | 660 | |
| Linden | 400 | |
| Smrekovec | 2, 5 | 1200 |
| Alder | 3 | 590 |
| orech európsky | 5 | |
| Španielsky orech | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Fir | 350 – 500 | |
| Rowan | 830 | |
| Borovica | 2, 5 | 380-1240 |
| čerešňa | 3, 5 | |
| Jabloň | 1730 | |
| Popol | 4-4, 1 | 1320 |
Z tabuľky tvrdosti dreva je vidieť, že:
- osika, jedľa smreková, borovica - veľmi mäkké stromy;
- breza, lipa, jelša a smrekovec sú mäkké dreviny;
- brest a orech sú stredne tvrdé;
- dub, jablko, čerešňový jaseň, hruška a majú koeficient normálnej tvrdosti;
- buk, agát a tis sú veľmi tvrdé odrody.
Tvrdé drevo je odolnémechanickému namáhaniu a používa sa na kritické komponenty drevených konštrukcií.
Hustota
Hustota priamo súvisí s obsahom vlhkosti vo vláknach. Preto, aby sa získali homogénne ukazovatele merania, suší sa na úroveň 12%. Zvýšenie hustoty dreva vedie k zvýšeniu jeho hmotnosti a pevnosti. Podľa vlhkosti sa drevo delí do niekoľkých skupín:
- horniny s najnižšou hustotou (až 510 kg/m3). Patria sem jedľa, borovica, smrek, topoľ, céder, vŕba a orech.
- Červené so strednou hustotou (v rozsahu 540-750 kg/m3). Patria sem smrekovec, tis, brest, breza, buk, hruška, dub, jaseň, jarabina, jabloň.
- horniny s vysokou hustotou (viac ako 750 kg/m3). Táto kategória zahŕňa brezu a sklad.
Nižšie je tabuľka hustoty pre rôzne druhy stromov.
| Názov plemena | Hustota horniny, kg/m3 |
| Acacia | 830 |
| Birch | 540-700 |
| Karelian breza | 640-800 |
| Buk | 650-700 |
| čerešňa | 490-670 |
| Belm | 670-710 |
| Hruška | 690-800 |
| Dub | 600-930 |
| Smrek | 400 – 500 |
| Willow | 460 |
| Céder | 580-770 |
| javor európsky | 530-650 |
| Kanadský javor | 530-720 |
| javor poľný | 670 |
| Smrekovec | 950-1020 |
| Alder | 380-640 |
| Vlašský orech | 500 – 650 |
| Aspen | 360-560 |
| Fir | 350-450 |
| Rowan | 700-810 |
| Lilac | 800 |
| Slivka | 800 |
| Borovica | 400 – 500 |
| Topoľ | 400 – 500 |
| Thuya | 340-390 |
| Vtáčia čerešňa | 580-740 |
| čerešňa | 630 |
| Jabloň | 690-720 |
Ihličnaté druhy majú najnižšiu hustotu, zatiaľ čo listnaté druhy majú najvyššiu hustotu.
Stabilita
Vypočítaná odolnosť dreva zahŕňa také veci, ako je stabilitavystavenie vlhkosti. Stupeň sa meria na päťbodovej stupnici pri zmene vlhkosti vzduchu:
- Nestabilita. Výrazná deformácia sa objavuje už pri malej zmene vlhkosti.
- Priemerná stabilita. Pri miernej zmene vlhkosti sa objaví viditeľný stupeň deformácie.
- Relatívna stabilita. Pri miernej zmene vlhkosti sa objaví mierny stupeň deformácie.
- Stabilita. Žiadna viditeľná deformácia s miernou zmenou vlhkosti.
- Absolútna stabilita. Nedochádza k žiadnej deformácii ani pri veľkej zmene vlhkosti.
Nižšie je tabuľka stability bežných druhov dreva.
| Názov plemena | Stupeň stability |
| Acacia | 2 |
| Birch | 3 |
| Karelian breza | 3 |
| Buk | 1 |
| čerešňa | 4 |
| Belm | 2 |
| Hruška | 2 |
| Dub | 4 |
| Smrek | 2 |
| Céder | 4 |
| javor európsky | 2 |
| Kanadský javor | 2 |
| Javor poľný | 1 |
| Smrekovec | 2-3 |
| Alder | 1 |
| Americký orech | 4 |
| Brazílsky orech | 2 |
| Vlašský orech | 4 |
| orech európsky | 4 |
| Španielsky orech | 3 |
| Aspen | 1 |
| Fir | 2 |
| Topoľ | 1 |
| Vtáčia čerešňa | 1 |
| čerešňa | 2 |
| Jabloň | 2 |
Údaje sú vypočítané pre drevo s obsahom vlhkosti 12 %.
Mechanické vlastnosti
Kvalitu dreva určujú nasledujúce ukazovatele:
- Odolnosť proti opotrebeniu – schopnosť dreva odolávať opotrebovaniu počas trenia. S nárastom tvrdosti materiálu klesá jeho opotrebenie pri nerovnomernom rozložení po povrchu vzorky. Odolnosť dreva ovplyvňuje aj vlhkosť dreva. Čím je nižšia, tým je odpor vyšší.
- Deformovateľnosť - schopnosť obnoviť tvar po vymiznutí pôsobiacich síl. Keď je drevo stlačené,deformácia obrobku, ktorá zmizne so zaťažením. Hlavným ukazovateľom deformovateľnosti je elasticita, ktorá sa zvyšuje s vlhkosťou dreva. Postupným vysychaním sa stráca elasticita, čo vedie k zníženiu odolnosti proti deformácii.
- Flexibilita – prirodzená schopnosť dreva ohýbať sa pri zaťažení. Dobrú úžitkovosť majú listnaté druhy, v menšej miere ihličnany. Tieto schopnosti sú dôležité pri výrobe ohýbaných výrobkov, ktoré sa najskôr navlhčia a potom ohýbajú a sušia.
- Nárazová pevnosť - schopnosť absorbovať nárazovú silu bez štiepania dreva. Testovanie sa vykonáva pomocou oceľovej guľôčky, ktorá sa padá na obrobok z výšky. Listnaté odrody vykazujú lepšie výsledky ako ihličnany.
Stále zaťaženie postupne zhoršuje vlastnosti dreva a vedie k únave materiálu. Ani ten najodolnejší strom nie je schopný odolať vonkajším vplyvom.
Regulačné špecifikácie
Ukazovatele normatívnej odolnosti sú potrebné na výrobu rôznych typov konštrukcií. Drevo sa považuje za vhodné, ak ukazovatele nie sú nižšie ako vypočítané hodnoty. Pri testoch sa používajú iba štandardné vzorky s obsahom vlhkosti najviac 15 %. Pre drevo s inou hodnotou vlhkosti sa používa špeciálny vzorec pre návrhovú odolnosť, potom sa ukazovatele prevedú na štandardné hodnoty.
Pri navrhovaní drevostavieb je dôležité poznať skutočné hodnoty pevnosti východiskového materiálu. V skutočnosti sú menšie ako normatívne hodnoty získané na skúšobných vzorkách. Referenčné údajezískané zaťažením a deformáciou vzoriek štandardných veľkostí.
Charakteristiky dizajnu
Konštrukčná odolnosť dreva je namáhanie v rôznych rovinách drevených vzoriek vytvorené určitými zaťaženiami, ktorým strom vydrží ľubovoľne dlho, kým sa úplne nezničí. Tieto údaje sa líšia pre natiahnutie, stlačenie, ohýbanie, strihanie a drvenie.
Skutočné čísla sa získajú vynásobením normatívnych údajov koeficientmi pracovných podmienok.
| Meno | Konštrukčný koeficient odolnosti dreva | ||
| Napätie vo vláknach | Napätie vo vláknach | Čipovanie | |
| Smrekovec | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| sibírsky céder | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| Borovica | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Fir | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Dub | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| Javor, jaseň | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Acacia | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| Buk, breza | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Belm | 1 | 1, 6 | 1 |
| Topoľ, jelša, osika, lipa | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
Pracovné podmienky ovplyvňuje celý zoznam faktorov. Vyššie uvedené koeficienty zohľadňujú takéto faktory. Akékoľvek vystavenie konštrukcií vlhkosti má za následok zníženie konečného výkonu.
Záver
Pri navrhovaní drevených konštrukcií je dôležité poznať vypočítané ukazovatele materiálov použitých pri stavbe. Jednotlivé uzly budú vystavené trvalému alebo dočasnému zaťaženiu, ktoré môže viesť k ich úplnému zničeniu. Údaje špecifikované v GOST a SNiP boli získané testovaním štandardných vzoriek. Skutočné hodnoty sa však budú značne líšiť od normatívnych. Preto sa na výpočty používajú vzorce uvedené v normách.
