Prilikom projektiranja, razvoja ili proizvodnje drvenih konstrukcija važno je poznavati svojstva čvrstoće materijala - projektnu otpornost drva koja se mjeri kao jedan kilogram po kvadratnom centimetru. Za proučavanje pokazatelja koriste se uzorci standardnih veličina, piljeni od dasaka ili drva traženog razreda, bez vanjskih nedostataka, čvorova i drugih nedostataka. Zatim se uzorak testira na otpornost na kompresiju, savijanje, rastezanje.
Vrste drva
Drvo je svestran materijal koji se lako obrađuje i koristi se u raznim područjima proizvodnje: građevinarstvu, namještaju, posuđu i ostalim kućanskim potrepštinama. Područje primjene ovisi o vrsti drva s različitim fizikalnim, kemijskim i mehaničkim svojstvima. U građevinarstvu su posebno popularne četinjača kao što su smreka, cedar, bor, ariš, jela. U manjoj mjeri, listopadno drveće - breza, topola, jasika, hrast, lijeska, lipa, joha, bukva.
Sorte crnogorice koriste se u obliku oble građe, drvene građe, dasaka za izradu potpornih pilota, rešetki, stupova, mostova, kuća, lukova, industrijskih objekata i drugih građevinskih konstrukcija. Materijali od tvrdog drva čine samo četvrtinu ukupne potrošnje. To je zbog lošijih fizičkih i mehaničkih svojstava drva tvrdog drva, pa se nastoji koristiti za izradu konstrukcija s niskim nosivim opterećenjem. Obično idu u čvorove nacrta i privremenih objekata.
Upotreba drvne građe u građevinarstvu regulirana je pravilima u skladu s fizičkim i mehaničkim svojstvima drva. Ova svojstva ovise o vlažnosti i prisutnosti nedostataka. Za nosive elemente vlažnost zraka ne smije biti veća od 25%, za ostale proizvode nema takvih zahtjeva, ali postoje standardi za specifične nedostatke drva.
Kemijski sastav
U 99% mase drva su organske tvari. Sastav elementarnih čestica za sve stijene je isti: dušik, kisik, ugljik i vodik. Oni tvore duge lance složenijih molekula. Drvo se sastoji od:
- Celuloza je prirodni polimer s visokim stupnjem polimerizacije lančanih molekula. Vrlo stabilna tvar, ne otapa se u vodi, alkoholu ili eteru.
- Lignin je aromatski polimer sa složenom molekularnom strukturom. Sadrži veliku količinu ugljika. Zahvaljujući njemu nastaje drevljenje stabala.
- Hemiceluloza je analog obične celuloze, ali s nižim stupnjem polimerizacije lančanih molekula.
- Extractivetvari - smole, gume, masti i pektini.
Visoki sadržaj smole u stablima crnogorice čuva materijal i omogućuje mu da zadrži svoja izvorna svojstva dugo vremena, pomažući u otpornosti na vanjske utjecaje. Drveni proizvodi niske kvalitete s velikim brojem nedostataka uglavnom se koriste u drvokemijskoj industriji kao sirovina za proizvodnju papira, lijepljenog drva ili ekstrakciju kemijskih elemenata kao što su tanini koji se koriste u proizvodnji kože.
Izgled
Drvo ima sljedeća vanjska svojstva:
- Boja. Vizualna percepcija reflektiranog spektralnog sastava svjetlosti. Važno pri odabiru trupaca kao završnog materijala.
- Boja ovisi o starosti i vrsti stabla, kao io klimatskim uvjetima u kojima je raslo.
- Sjaj. Sposobnost reflektiranja svjetlosti. Najvišu stopu bilježe hrast, jasen, bagrem.
- Tekstura. Uzorak formiran od godišnjih prstenova debla.
- Mikrostruktura. Određeno širinom prstena i sadržajem kasnog drveta.
Indikatori se koriste u vanjskoj ocjeni kvalitete sječe. Vizualni pregled otkriva nedostatke i prikladnost materijala za naknadnu upotrebu.
Defekti drveta
Unatoč očitim prednostima u odnosu na sintetizirane materijale, drvo, kao i svaka prirodna sirovina, ima svoje nedostatke. Regulira se prisutnost, stupanj i područje lezijenormativni dokumenti. Glavni nedostaci drva uključuju:
- poraz, trulež, gljivice i štetočine;
- koso;
- džepovi od smole;
- čvorovi;
- pukotine.
Čvorovitost smanjuje čvrstoću drva, a od posebne je važnosti njihov broj, veličina i položaj. Čvorovi su podijeljeni u vrste:
- Zdravo. Čvrsto sraste s tijelom stabla i čvrsto sjedite u džepovima, bez truljenja.
- Padajući izbornik. Oguliti i otpasti nakon piljenja materijala.
- Napaljeno. Tamne boje i gušće strukture u odnosu na susjedno drvo;
- Zamračeno. Čvorovi s početnim stadijem propadanja.
- Opušteno - pokvareno.
Prema lokaciji, čvorovi se dijele na:
- prošiveni;
- pandžasti;
- obrastao;
- posinci.
Slant također smanjuje čvrstoću drveta na savijanje i karakterizira ga prisutnost pukotina i spiralnih slojeva u oblom drvetu, u rezanom materijalu oni su usmjereni pod kutom prema rebrima. Proizvodi s takvim nedostatkom su niskog kvaliteta, koriste se isključivo kao privremene utvrde.
Uzroci pukotina ovise o vanjskim uvjetima i vrsti drva. Nastaju kao posljedica neravnomjernog sušenja, mraza, mehaničkog naprezanja i mnogih drugih čimbenika. Pojavljuju se i na živim stablima i na posječenim. Ovisno o položaju na deblu i obliku, pukotine se nazivaju:
- frosty;
- sernitsa;
- metika;
- smanjiti.
Pukotine ne samo da smanjuju kvalitetu drva, već doprinose i brzom propadanju i uništavanju vlakana.
Trulež nastaje kao posljedica zaraze truležnim i drugim vrstama gljiva koje se pojavljuju na rastućim i posječenim stablima. Gljive koje žive na živim deblima su parazitske, koje inficiraju godišnje prstenove i uzrokuju njihovo ljuštenje. Druge se vrste talože već na gotovim strukturama i uzrokuju propadanje, raslojavanje, pucanje.
Razlog pojave štetnih organizama je povoljan okoliš za njihovu reprodukciju: vlaga preko 50% i toplina. Na dobro osušenom drvetu ne razvijaju se mikroorganizmi. Posebna kategorija štetnika trebala bi uključivati kukce koji se radije naseljavaju u drvenim konstrukcijama, povlačeći se u njima, oštećujući tako vlakna i smanjujući njihovu snagu.
Vlažnost drveta
Jedan od važnih pokazatelja za normativnu i konstrukcijsku otpornost drva. Utječe na postotak vode u vlaknima debla. Vlaga - postotak mase vlage prema suhom materijalu. Formula izračuna izgleda ovako: W=(m–m0)/m0 100, gdje je m početna masa obratka, m 0 - težina apsolutno suhog uzorka. Vlažnost se određuje na dva načina: sušenjem i korištenjem posebnih elektronskih mjerača vlage.
Drvo se dijeli na nekoliko vrsta prema sadržaju vlage:
- Mokro. Ssadržaj vlage veći od 100%, što odgovara dugom boravku u vodi.
- Svježe izrezano. Sa sadržajem od 50 do 100%.
- Suha na zraku. Sa sadržajem vode od vlakana u rasponu od 15 do 20%.
- Sobno suho. Sa sadržajem vlage od 8 do 12%.
- Potpuno suho. Sa 0% sadržaja vode, dobiveno sušenjem na 102°.
Voda je u stablu u vezanom i slobodnom obliku. Slobodna vlaga je u stanicama i međustaničnom prostoru, vezana - u obliku kemijskih veza.
Utjecaj vlage na svojstva drva
Postoji nekoliko vrsta svojstava ovisno o sadržaju vlage u strukturi drva:
- Skupljanje je smanjenje volumena vlakana drvene pulpe kada se iz njih ukloni vezana voda. Što je više vlakana, to je više vlage vezanog tipa. Uklanjanje vlage ne daje takav učinak.
- Deformacija - promjena oblika drveta u procesu sušenja. Pojavljuje se kada trupci nisu pravilno sušeni ili piljeni.
- Apsorpcija vlage - higroskopnost drva ili sposobnost upijanja vlage iz okoline.
- Burenje - povećanje volumena drvenih vlakana kada je materijal u vlažnom okruženju.
- Upijanje vode - sposobnost drveta da poveća vlastitu vlagu upijanjem tekućine koja kapa.
- Gustoća - mjeri se kao masa po jedinici volumena. Kako se vlažnost povećava, gustoća 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 temeljna razlika leži u tehnici mjerenja. Prema Brinellu, kaljena čelična kugla se postavlja na ravnu, drvenu površinu i na nju se primjenjuje sila od 100 kilograma, nakon čega se mjeri dubina nastale rupe.
Yankee test koristi kuglu od 0,4 inča i mjeri koliko je sile, u funtama, potrebno da se lopta gurne u stablo polovice promjera. Sukladno tome, što je veći rezultat, to je stablo tvrđe i koeficijent je veći. Međutim, unutar iste sorte, pokazatelji se razlikuju, koji ovise o načinu rezanja, vlažnosti i drugim čimbenicima.
U nastavku je tablica tvrdoće drva Brinell i Yankee za najčešće vrste.
| ime | Brinell tvrdoća, 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 |
| europski orah | 5 | |
| španjolski orah | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Jela | 350-500 | |
| Rowan | 830 | |
| bor | 2, 5 | 380-1240 |
| Trešnja | 3, 5 | |
| Jabuka | 1730 | |
| Ash | 4-4, 1 | 1320 |
Iz tablice tvrdoće drva može se vidjeti da:
- jasika, smreka jela, bor - vrlo 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 vrlo tvrde sorte.
Tvrdo drvo je izdržljivona mehanička naprezanja i koristi se za kritične komponente drvenih konstrukcija.
Gustoća
Gustoća je izravno povezana sa sadržajem vlage u vlaknima. Stoga se, kako bi se dobili homogeni pokazatelji mjerenja, suši na razinu od 12%. Povećanje gustoće drva dovodi do povećanja njegove mase i čvrstoće. Prema vlazi, drvo se dijeli u nekoliko grupa:
- Stjene najniže gustoće (do 510 kg/m3). Tu spadaju jela, bor, smreka, topola, cedar, vrba i orah.
- Crvene srednje gustoće (u rasponu od 540-750 kg/m3). To uključuje ariš, tisu, brijest, brezu, bukvu, krušku, hrast, jasen, jabuku, jabuku.
- Stjene velike gustoće (više od 750 kg/m3). Ova kategorija uključuje brezu i stoku.
U nastavku je tablica gustoće za različite vrste drveća.
| ime pasmine | Gustoća stijena, kg/m3 |
| Bagrem | 830 |
| Breza | 540-700 |
| karelska breza | 640-800 |
| Beech | 650-700 |
| Trešnja | 490-670 |
| brest | 670-710 |
| kruška | 690-800 |
| hrast | 600-930 |
| Smreka | 400-500 |
| Vrba | 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 |
| Jela | 350-450 |
| Rowan | 700-810 |
| lila | 800 |
| Šljiva | 800 |
| bor | 400-500 |
| Topola | 400-500 |
| Thuya | 340-390 |
| Ptičja trešnja | 580-740 |
| Trešnja | 630 |
| Jabuka | 690-720 |
Četinjače imaju najmanju gustoću, dok listopadne vrste imaju najveću gustoću.
Stabilnost
Izračunati otpor drva uključuje takvu stvar kao što je stabilnost naizlaganje vlazi. Stupanj se mjeri na skali od pet točaka kada se vlažnost zraka promijeni:
- Nestabilnost. Značajne deformacije pojavljuju se čak i uz malu promjenu vlažnosti.
- Prosječna stabilnost. Primjetan stupanj deformacije pojavljuje se uz malu promjenu vlažnosti.
- Relativna stabilnost. Pojavljuje se blagi stupanj deformacije uz malu promjenu vlažnosti.
- Stabilnost. Nema vidljivih deformacija uz malu promjenu vlažnosti.
- Apsolutna stabilnost. Nema apsolutno nikakve deformacije čak ni uz veliku promjenu vlažnosti.
U nastavku je grafikon stabilnosti uobičajenih vrsta drva.
| ime pasmine | Stupanj stabilnosti |
| Bagrem | 2 |
| Breza | 3 |
| karelska breza | 3 |
| Beech | 1 |
| Trešnja | 4 |
| brest | 2 |
| kruška | 2 |
| hrast | 4 |
| Smreka | 2 |
| Cedar | 4 |
| europski javor | 2 |
| kanadski javor | 2 |
| poljski javor | 1 |
| ariš | 2-3 |
| Alder | 1 |
| američki orah | 4 |
| brazilski orah | 2 |
| Orah | 4 |
| europski orah | 4 |
| španjolski orah | 3 |
| Aspen | 1 |
| Jela | 2 |
| Topola | 1 |
| Ptičja trešnja | 1 |
| Trešnja | 2 |
| Jabuka | 2 |
Brojke su izračunate za drvo s udjelom vlage od 12%.
Mehaničke karakteristike
Kvaliteta drva određena je sljedećim pokazateljima:
- Otpornost na habanje - sposobnost drveta da odoli trošenju tijekom trenja. S povećanjem tvrdoće materijala, njegovo se trošenje smanjuje s neravnomjernom raspodjelom po površini uzorka. Sadržaj vlage u drvu također utječe na otpornost na habanje. Što je niži, veći je otpor.
- Deformabilnost - sposobnost vraćanja oblika nakon nestanka djelotvornih sila. Kada se drvo komprimira,deformacija obratka, koja nestaje s opterećenjem. Glavni pokazatelj deformabilnosti je elastičnost, koja se povećava s udjelom vlage u drvu. Postupnim 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, crnogorice u manjoj mjeri. Te su sposobnosti važne u proizvodnji savijenih proizvoda, koji se prvo navlaže, a zatim savijaju i suše.
- Udarna snaga - sposobnost apsorbiranja udarne sile bez cijepanja drva. Ispitivanje se provodi čeličnom kuglom koja se s visine spušta na radni komad. Listopadne sorte pokazuju bolje rezultate od četinjača.
Stalna opterećenja postupno pogoršavaju svojstva drva i dovode do zamora materijala. Čak ni najizdržljivije drvo nije u stanju izdržati vanjske utjecaje.
Regulatorne specifikacije
Indikatori normativnog otpora potrebni su za proizvodnju različitih vrsta konstrukcija. Drvo se smatra prikladnim ako pokazatelji nisu niži od izračunatih vrijednosti. U ispitivanjima se koriste samo standardni uzorci s udjelom vlage ne većim od 15%. Za drvo s različitom vrijednošću vlage koristi se posebna formula za konstrukcijsku otpornost, a zatim se indikatori pretvaraju u standardne vrijednosti.
Prilikom projektiranja drvenih konstrukcija važno je znati stvarne vrijednosti čvrstoće izvornog materijala. U stvarnosti, oni su manji od normativnih dobivenih na ispitnim uzorcima. Referentni podacidobiveno opterećenjem i deformacijom uzoraka standardnih veličina.
Dizajn karakteristike
Dizajnirana otpornost drva je naprezanja u različitim ravninama 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.
Stvarne brojke dobivaju se množenjem normativnih podataka s koeficijentima radnih uvjeta.
| ime | Dizajn koeficijent otpornosti drva | ||
| Naprezanje duž vlakana | Napetost preko vlakana | Chipping | |
| ariš | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| sibirski cedar | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| bor | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Jela | 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 uvjete rada utječe cijeli popis čimbenika. Gore navedeni koeficijenti uzimaju u obzir takve čimbenike. Svako izlaganje vlazi na konstrukcijama rezultira smanjenjem konačne izvedbe.
Zaključak
Pri projektiranju drvenih konstrukcija važno je poznavati izračunate pokazatelje materijala koji se koriste u gradnji. 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 izračune.
