Właściwości drewna

Właściwości drewna

Wiadomości wstępne.


Do właściwości mechanicznych drewna zalicza się :

  • wytrzymałość na ściskanie, zginanie, rozciąganie, ścinanie i docisk miejscowy. Rozróżnia się wytrzymałość doraźną i trwałą. Wytrzymałość zależy przede wszystkim od kierunku działania sił w stosunku do włókien, długotrwałość działania obciążeń i wilgotność.
  • moduł sprężystości przy ściskaniu, zginaniu i rozciąganiu zależny, podobnie jak wytrzymałość, od kierunku działania sił w stosunku do włókien i od wymienionych poprzednio parametrów.
  • moduł odkształcenia postaciowego, zależny od wymienionych poprzednio parametrów:

Wytrzymałość, moduł sprężystości i moduł odkształcenia postaciowego są najważniejszymi właściwościami, wpływającymi bezpośrednio na projektowanie konstrukcji drewnianych.

Oprócz nich rozróżnia się jeszcze takie mechaniczne właściwości drewna, jak odporność na uderzenia, twardość, ścieralność, łupliwość, giętkość i inne.

Z uwagi na anizotropową budowę drewna, charakterystyki sprężysto - wy trzymałościowe określa się oddzielnie dla kierunku wzdłuż włókien i prostopadle (ukośnie) do włókien. Uwzględnia się kierunek poprzeczny, styczny i promieniowy.


WYTRZYMAŁOŚĆ DREWNA NA ŚCISKANIE


Wytrzymałość drewna na ściskanie to opór, jaki stawia materiał drzewny poddany działaniu sił ściskających, powodujących jego odkształcenie lub zniszczenie. Miarą wytrzymałości drewna na ściskanie jest naprężenie w MPa, przy którym następuje zniszczenie badanej próbki. Wytrzymałość na ściskanie zależy w drewnie od jego kierunku anatomicznego.

Rozróżnia się wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż włókien oraz na ściskanie prostopadłe do włókien (kierunek promieniowy i styczny). Przy ściskaniu drewna wzdłuż włókien przed pojawieniem się widocznych odkształceń zachodzą zmiany w błonach komórkowych. W cewkach drewna iglastego pojawiają się krótkie, a następnie zwiększające się i łączące w linie rysy, tworząc wyraźną strefę uszkodzenia. Błony komórkowe ulegają odkształceniu w postaci ich ścinania i miażdżenia.

Wytrzymałość na ściskanie, jaką wykazuje drewno wzdłuż włókien (siła działa równolegle do włókien), jest znacznie wyższa niż jego wytrzymałość na ściskanie w poprzek włókien (siła działa prostopadle do włókien - kierunek styczny i promieniowy). Najmniejszą wytrzymałość na ściskanie wykazuje drewno, jeżeli siła działa w kierunku promienia przekroju i wynosi ona około 10÷30% wytrzymałości określanej równolegle do włókien.

Wartości wytrzymałości drewna na ściskanie w zależności od klasy wytrzymałościowej (przy wilgotności 12%) dla gatunków iglastych wynoszą od 16 do 29 MPa przy ściskaniu wzdłuż włókien oraz od 2,0 do 3,2 MPa przy ściskaniu w poprzek włókien, a dla gatunków liściastych od 23 do 34 MPa przy ściskaniu wzdłuż włókien oraz od 8 do 13,5 MPa przy ściskaniu w poprzek włókien [4]. Szczegółowe wartości wytrzymałości drewna iglastego na ściskanie w zależności od klasy wytrzymałościowej przy wilgotności 12% podano w tabeli 1

Właściwości drewna na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien określa się wartością przyłożonej siły, która powoduje zniszczenie w kierunku podłużnym, odniesioną do wielkości obciążonego przekroju natomiast wytrzymałość na ściskanie prostopadłe do włókien określa się wartością siły ściskającej w kierunku prostopadłym do włókien.

Przeciętna wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż włókien wynosi 39,3÷49,2 MPa, zaś w kierunku prostopadłym do włókien jest 6÷10 razy mniejsza. Pod wpływem ściskania następuje często ścięcie drewna wczesnego wzdłuż warstw drewna późnego, co uwydatnia się na promieniowej ścianie próbki jako fałda przebiegająca pod kątem 40÷60º w stosunku do krawędzi pionowych. Rzadziej mogą wystąpić dwa ukośne sfałdowania przechodzące w szczelinę podłużną. Wartości wytrzymałości na ściskanie dla wybranych gatunków drewna przy wilgotności 15% podano w tabeli 2.

Właściwości drewna na ściskanie

Sęki wpływają ujemnie na wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż włókien, zwiększają natomiast wytrzymałość w poprzek włókien (tab. 3).Przeżywiczenie drewna wpływa pozytywnie na wartość wytrzymałości drewna na ściskanie, powiększając tę cechę w obu kierunkach.

Właściwości drewna na ściskanie

WYTRZYMAŁOŚĆ DREWNA NA ROZCIĄGANIE


Wytrzymałość drewna na rozciąganie to opór, jaki stawia materiał drzewny poddany działaniu sił rozciągających, dążących do jego odkształcenia lub rozerwania. Miarą wytrzymałości drewna na rozciąganie jest naprężenie w MPa, przy którym następuje zniszczenie badanej próbki. Siły rozciągające mogą działać wzdłuż włókien i prostopadle do nich.

Wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien określa się wartością siły rozciąganej, działającej w kierunku równoległym do włókien, odniesioną do wartości obciążonego przekroju. Drewno poddane rozciąganiu wzdłuż włókien wykazuje wówczas największą wytrzymałość. Gdy kąt odchylenia włókien od kierunku działania siły wzrasta od 0 do 15º, wówczas obniżenie wytrzymałości drewna na rozciąganie zmniejsza się do 50% i więcej w stosunku do wytrzymałości drewna o prostoliniowym układzie włókien.

Rozerwanie próbki wzdłuż włókien następuje zwykle w jej części przewężonej. Wytrzymałość drewna na rozciąganie wzdłuż włókien jest około 2,5 razy większa od wytrzymałości drewna na ściskanie. Zależnie od rodzaju drewna wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien jest od 5 do 40 razy mniejsza niż wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien (średnio przyjmuje się ją jako 1/30 wytrzymałości wzdłuż włókien). Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien w kierunku stycznym jest wyższa niż wytrzymałość w kierunku promieniowym.

Zakres korzystania z wysokiej wytrzymałości drewna na rozciąganie jest ograniczony ze względu na jego niską wytrzymałość na ścianie, a także ze względu na odchylenia włókien od przebiegu prostoliniowego i ujemny wpływ sęków.

Szczegółowe wartości wytrzymałości drewna iglastego na rozciąganie w zależności od klasy wytrzymałościowej przy wilgotności 12% podano w tabeli 4.

Właściwości drewna na rozciąganie

Wytrzymałość drewna na rozciąganie wzdłuż włókien zmniejsza się wraz ze wzrostem odchylenia siły od tego kierunku i wynosi średnio 2÷17% tej wartości. Dla drewna sosnowego wytrzymałość na rozciąganie w kierunku promieniowym stanowi 2,4%, a w kierunku stycznym 4,1% wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien.

W stosowanych w budownictwie asortymentach drewna wytrzymałość na rozciąganie ulega bardzo dużemu zmniejszeniu z uwagi na sęki i odchylenia włókien od przebiegu prostoliniowego. Na obniżenie tej wartości duży wpływ mają również pęknięcia, które mogą obniżyć wartość normową nawet do 30%.

Wysoka wytrzymałość na rozciąganie uzyskiwana na próbkach formowych charakteryzuje jedynie właściwości drewna bez wad i wyraźnie maleje wraz ze wzrostem wymiarów badanego elementu. Wartości wytrzymałości na rozciąganie dla wybranych gatunków drewna przy wilgotności 15% podano w tabeli 5

Właściwości drewna na rozciąganie

Sęki wydatnie obniżają wytrzymałość drewna na rozciąganie. Wpływ sęków na wytrzymałość drewna sosnowego na rozciąganie zaprezentowano w tabeli 6.

Właściwości drewna na rozciąganie

WYTRZYMAŁOŚĆ DREWNA NA ZGINANIE


Zginanie w belce drewnianej powoduje ściskanie włókien od strony jej przyłożenia i rozciąganie od strony przeciwnej. Duży wpływ na obniżenie wytrzymałości drewna na zginanie mają sęki znajdujące się w zginanej belce po stronie przeciwnej do działania siły. Wytrzymałość na zginanie statyczne rośnie wraz ze wzrostem gęstości drewna oraz równoległego układu włókien. Największą wytrzymałość wykazuje drewno o przebiegu włókien maksymalnie zbliżonym do kierunku elementów konstrukcyjnych. W przypadku, gdy kierunek przebiegu włókien w stosunku do osi belki wynosi około 20°, wytrzymałość obniża się o połowę. Szczegółowe wartości wytrzymałości drewna iglastego na zginanie w zależności od klasy wytrzymałościowej drewna przy wilgotności 12% podano w tabeli 7.

Wytrzymałość drewna na zginanie

Wytrzymałość drewna na zginanie jest mniejsza niż na rozciąganie, lecz większa niż wytrzymałość na ściskanie. Większą wytrzymałość na zginanie mają zwykle drewna o dużej wytrzymałości na ściskanie, liczby te jednak różnią się między sobą. Zginanie statyczne występuje w drewnie podczas wzrastającego powoli obciążenia zginającego, działającego bez zmiany kierunku. Badanie wytrzymałości drewna na zginanie statyczne przeprowadza się na belce podpartej na końcach i obciążonej w środku długości. W wyniku obciążenia górna płaszczyzna belki jest rozciągana, a dolna ściskana. Zgodnie z wymaganiami polskich norm badane próbki powinny mieć wilgotność 12±3%. Występowanie wad drewna, zwłaszcza sęków w środkowej części próbki, jest niedopuszczalne. Badaną próbkę, niezależnie od jej wielkości, obciąża się w środku długości prostopadle do jej przekroju promieniowego. Przeciętny przyrost obciążenia, gdy bada się próbki małe, powinien wynosić 1,78 kN w ciągu 1 minuty. W miarę wzrastającego obciążenia, działającego równolegle lub prostopadle do przebiegu włókien drewna, następuje najpierw sfałdowanie płaszczyzny ściskanej i rozerwanie płaszczyzny rozciąganej, a w efekcie końcowym złamanie próbki. Rodzaj przełamu drewna jest wskaźnikiem jakości badanej próbki. Wytrzymałość drewna na zginanie odgrywa zasadniczą rolę w pracy większości elementów budynku i deskowań. W drewnie drzew iglastych wytrzymałość na zginanie statyczne w kierunku stycznym może być około 12% większa niż w kierunku promieniowym. Wartości wytrzymałości na zginanie dla wybranych gatunków drewna przy wilgotności 15% przedstawiono w tabeli 8.

Wytrzymałość drewna na zginanie

Drewno o dużej ilości sęków umiejscowionych szczególnie w środku długości oraz w dolnej, rozciągającej płaszczyźnie belki powoduje znaczne obniżenie wytrzymałości na zginanie. Wpływ sęków na wytrzymałość drewna na zginanie w kierunku promieniowym i stycznym przedstawiono w tabeli 9.

Wytrzymałość drewna na zginanie

WYTRZYMAŁOŚĆ DREWNA NA ŚCINANIE


Wytrzymałość drewna na ścinanie określa się wartością siły ścinającej działającej w kierunku równoległym do włókien (wzdłuż włókien), odniesioną do wartości obciążonego przekroju. Naprężenie ścinające występuje wówczas, gdy na badaną próbkę drewna działają dwie siły równoległe, przeciwnie skierowane, dążące do przesunięcia (ścięcia) cząstek drewna w kierunku stycznym do badanego przekroju. Ścinanie w drewnie towarzyszy zginaniu i rozciąganiu. Wytrzymałość na ścinanie w kierunku równoległym do włókien wynosi 12÷25% wytrzymałości na ściskanie w kierunku równoległym do włókien. Wytrzymałość drewna na ścinanie wzdłuż włókien jest, poza jego wytrzymałością na rozciąganie w poprzek włókien, jedną z najniższych wytrzymałości drewna. Wartości wytrzymałości drewna iglastego na ścinanie w kierunku równoległym do włókien w zależności od klasy wytrzymałościowej przy wilgotności 12% podano w tabeli 10.

Wytrzymałość drewna na ścinanie

Wytrzymałość drewna na ścinanie wzdłuż włókien bada się na znormalizowanych próbkach o wymaganej wilgotności (12±3%). Służą one do oznaczania wytrzymałości drewna na ścinanie w płaszczyźnie promieniowej do przebiegu słojów rocznych oraz stycznej. Wytrzymałość drewna na ścinanie w kierunku równoległym do włókien w płaszczyźnie promieniowej jest zwykle większa niż w płaszczyźnie stycznej. W związku z tym wyniki podaje się oddzielnie lub jako średnią arytmetyczną wyników badań w obydwóch kierunkach. Przeciętna wytrzymałość drewna na ścinanie wynosi 1/8÷1/6 wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien oraz 1/10÷1/8 wytrzymałości na rozciąganie w kierunku równoległym do włókien. Wszelkie odchylenia od prawidłowej budowy drewna (np. pęknięcia czy skręt włókien) mają ujemny wpływ na jego wytrzymałość na ścinanie. Pęknięcia powodują obniżenie wytrzymałości nawet do 1/3 wartości normowej.Wartości wytrzymałości na ścinanie w kierunku równoległym do włókien dla wybranych gatunków drewna przy wilgotności 15% podano w tabeli 11.

Wytrzymałość drewna na ścinanie

Ścinanie odgrywa dużą rolę w drewnie warstwowym i w sklejce, gdzie wytrzymałość na ścinanie warstw drewna i spoin klejowych wywiera decydujący wpływ na jego wartość techniczną.

WPŁYW WILGOTNOŚCI


  • Wytrzymałość drewna maleje ze wzrostem wilgotności.
  • Przy całkowitym nasyceniu wodą (w = 30 %) wytrzymałość spada w stosunku do wilgotności w = 15 % o 50 % przy ściskaniu i 40 % przy zginaniu.

WPŁYW GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ


  • Im większa jest gęstość pozorna drewna (przy tej samej wilgotności), tym większa jego wytrzymałość.
  • Zależność wytrzymałości na ściskanie i zginanie od gęstości objętościowej ma charakter prostoliniowy.
  • Przy zmianie gęstości objętościowej z 600 do 400 kg/m3 wytrzymałość przy ściskaniu i zginaniu zmniejsza się więcej niż 1,5 raza.
  • Wynika stąd, że na konstrukcje drewniane (bez zmniejszania wytrzymałości obliczeniowej) należy stosować drewno o dostatecznie dużej gęstości objętościowej.

WPŁYW SĘKÓW


  • Sęki zmniejszają wytrzymałość drewna , ponieważ zakłócają jednorodność jego budowy poprzez odmienne ukierunkowanie włókien niż w otaczającym drewnie, większa twardość i odchylenia włókien od kierunku prostoliniowego. W największym stopniu sęki obniżają wytrzymałość drewna na rozciąganie podłużne ( tab 2-2 ). Przy zginaniu istotne znaczenie ma umiejscowienie sęków ( tab 2-3 ).
Właściwości drewna

Właściwości drewna

Cechy wytrzymałościowe oraz właściwości sprężyste różnych rodzajów drewna stosowanego w budownictwie podano w tabeli 2. (wg PN-EN 338:2004).


Właściwości drewna