木材の試験

木材は、古くから建設に使われてきたユビキタスな素材です。再生可能で持続可能な木材は、一戸建て住宅の建設や、商業用および工業用建物のパーティションやその他の非構造要素のフレーミングエンジニアリングで広く使用されている構造材料です。

その自然の起源により、木材は個々の樹種に結びついた機械的特性を持っています。水分含有量およびその他の変数、たとえば、欠陥の存在。特定の用途では、設計者は、材料の効果を最大限に高めるために、木材部材または構造物に予想される負荷を慎重に検討する必要があります。

このビデオでは、さまざまな種類の木材の機械的特性をテストし、それらの応力-ひずみ挙動と屈折性能を決定する方法を示します。

木材は、幅よりもはるかに長い、細長い、丸い、または長方形のチューブ状のセルで構成されています。壁の内側には、セルロースポリマーの束であるミクロフィブリルで作られたいくつかの層があります。

ミクロフィブリル鎖は、壁の層内で異なる方向に整列しています。セルの長辺に沿ってチェーンが整列した中央の壁は、セルにほとんどの強度を提供し、内壁と外壁の斜めのチェーンは安定性を提供します。リグニンは、セルロースポリマー、ミクロフィブリル鎖、壁の細胞を結合します。多くのセルの束ね効果により、非常に強力な構造材料が得られます。

木材は生物学的な材料であるため、環境の腐敗や害虫の攻撃に非常に敏感です。今日使用されている木材の多くは、環境や昆虫の攻撃から保護するために化学薬品で前処理されています。

木材は、結び目や裂け目などの多数の欠陥や欠陥を特徴とする不均質な材料です。その結果、大きな安全性の要因、または設計強度と実際の極限強度の比率を使用して、さまざまな木材のエンジニアリング特性の大きな変動が説明されます。

その細胞構造のために、木材は直交異方性材料であり、木目方向に対して縦軸に沿って、そしてそれぞれ横軸に沿って異なる特性を有する。その結果、材料は、木材繊維に平行または垂直な荷重に対して異なる動作をします。木材の直交異方性は、さまざまな方法で改善できます。

合板などのラミネートは、繊維が直交する方向に整列した層でできているため、等方性材料になります。あるいは、集成材は、同じ方向に整列し、圧力下で接着された細い繊維のストリップでできており、欠陥の分布からその強度を導き出します。

木材の細胞構成は、細胞腔内の自由水と細胞壁に結合した水も説明しています。その結果、水分含有量は木材の強度を決定する重要なパラメータであり、一般的に、水分の減少は強度の増加につながります。乾燥に伴う体積の変化は、ねじれ、弓、カップ、曲がったものなど、不均一な収縮や歪みを引き起こす可能性があります。

木材は高分子材料であるため、クリープが発生したり、一定の負荷がかかると粘性のような変形が連続的に発生する傾向があります。荷重が解放されると、変形の大部分が回復します。その結果、木材は一般的に、荷重の持続時間が短い場合、はるかに高い応力を支えることができます。これらの要素はすべて日常の設計で使用するには複雑すぎるため、構造上の目的で、多くの樹種の最終的な欠陥のない強度値の統計分析、含水率の補正、および強度低下効果を補正するための木材グレードに基づく強度比を使用します。

ほとんどの木材に一般的に与えられるプロパティは、簡単に参照できるように表形式で公開されています。これらの特性は、許容曲げ応力、粒子に平行な張力、水平せん断、粒子に垂直な圧縮、粒子に平行な圧縮、および弾性率です。木材の種類の基本的な配向固有の特性に加えて、すべての木材が負荷の下で同じように動作するわけではないことは明らかです。

木材の物理的特性と木材試験の原理を理解したところで、これらを使用していくつかの試験を行いましょう。

始める前に、比較する木材を3種類選択してください。品種ごとに、公称エッジ寸法が3.5インチのコンプレッションキューブ試験片を2つ準備します。キューブに欠陥がなく、反対側の表面が平行であることを確認してください。各品種から1つの試験片を、粒子に平行に荷重を加えて試験するためにマークし、残りの試験片を粒子に垂直に荷重を加えて試験します。

キャリパーを使用して、各試験片の荷重方向の高さを測定します。そして、いくつかの場所で測定を繰り返して、おおよその平均を決定します。終了したら、同じ手順を使用して各試験片の断面寸法を決定します。

材料定数に関するJoVEビデオに示すように、万能試験機をセットアップします。次に、試験片を圧縮プラテンの正しい向きに慎重に中央に配置します。わずかな負荷がかかるまでクロスヘッドを下げてから、細かいコントロールを使用して負荷をできるだけゼロに近づけます。

次に、毎秒40psiの負荷速度で圧縮荷重をかけます。圧縮試験は、荷重が増加すると数分間継続し、試験片に大きな目に見えるひずみが生じることがあります。明らかな最大負荷に達するまで、テストを続行します。

試験が終了したら最大荷重を記録し、残りの試験片に対してこの手順を繰り返します。

別の圧縮試験を実行し、今度は試験片の粒子に垂直に荷重を加えます。他の種類の木材についてもこの手順を繰り返します。

次に、同じ3種類の木材を使用して、いくつかのドッグボーン標本を準備します。1セットの試験片は、粒子が長辺に平行になるようにし、もう1セットは粒子が長辺に垂直になるように準備します。

鋼の応力-ひずみ特性に関するJoVEビデオに示されているように、6つの試験片すべてで引張試験を実施します。

各木材品種の長さ約24インチを2×4で入手します。万能試験機に4点曲げ試験装置を取り付けます。装置の準備ができたら、試験機を始動します。テスト設定を調整して、荷重とクロスヘッドの値を記録し、最大荷重をキャプチャします。試験片を装置に取り付け、装置が木材の梁に接触し始めるまで上部クロスヘッドを落とします。

ビームが破断するまで、毎分2,000ポンドの速度で荷重をかけます。試験が完了したら、故障荷重を記録し、残りの試験片に対して試験を繰り返します。

表を使用して、圧縮、引張、および曲げの各テストの結果をまとめます。次に、各列で、データを最大値に正規化し、新しいテーブルを作成します。

では、結果を見てみましょう。すべての結果が一貫して示しているように、オークが最も強い木材であり、トウヒとサザンパインがそれに続きます。曲げ強度と木目と平行な圧縮という2つの最も重要な特性については、トウヒは約87%、サザンパインは約78%とオークと同じくらいの強度があるようです。森の間の非常に大きな価格差を考えると、それらの中で最も安いものとしての南の松は非常に効率的な選択です。

木材試験は、製品の安全性と国際規格への準拠を確保するために、日常的な使用中の応力とひずみを処理する最終設計の能力を評価するために、構造工学において最も重要です。

4点曲げ試験では、単純に支持されたビームに3点目で2つの等点荷重がかけられ、その結果、中央部分が一定のモーメントとゼロのせん断になります。この試験は、木材の構造要素が主に曲げ応力によって負荷を受ける床システムにとって重要です。

最近まで、木造建築はアパートや小さなオフィスビルの3階建てまたは4階建てに制限されていました。クロスラミネートティンバーの開発により、8階建て以上に達することができる構造システムが開発されました。一方、20階建ての建物は、まだ開発中です。

JoVEの「Introduction to Wood Testing」をご覧になりました。これで、木材の工学的特性と、木材試験片の引張試験、圧縮試験、曲げ試験の実施方法を理解する必要があります。

ご覧いただきありがとうございます!