Tests op hout
Bron: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Hout is een alomtegenwoordig materiaal dat vanaf…
Compressietest
- Verkrijg nominale 3-1/2" compressiekubusspecimens van drie verschillende houtsoorten (bijvoorbeeld Zuidelijke den, spar en eik). De kubussen kunnen uit een 4x4 sectie worden gesneden, maar moeten duidelijk hout zijn. Zorg ervoor dat de oppervlakken parallel aan elkaar zijn. Eén set van de specimens moet worden getest met de belasting parallel aan de nerf en de andere set van specimens moet worden getest met de belasting loodrecht op de nerf. Het aantal testherhalingen binnen een set hangt af van de gewenste betrouwbaarheidslimieten. Slechts één test per set zal worden uitgevoerd als onderdeel van dit laboratorium, omdat de doelstellingen zijn om de technieken te demonstreren en niet om grote robuuste gegevenssets voor engineeringontwerp te ontwikkelen.
- Meet de dwarsdoorsnede (breedte en dikte) van elk testspecimen tot de dichtstbijzijnde 0,002 inch met behulp van een schuifmaat. Meet de totale lengte (in de richting van belasting) voor de compressiespecimens. Aangezien de specimens mogelijk lichtjes variëren in afmetingen over hun lengte, neemt u verschillende metingen en noteert u de geschatte gemiddelde voor elke gemeten afmeting.
- Na het opzetten van de universele testmachine (zie eerste manuscript in deze serie: Materialen Constanten), centreer het specimen voorzichtig op de compressieplate en laat de kruiploper zakken tot er een lichte belasting wordt toegepast. Gebruik de fijne bediening om de belasting zo dicht mogelijk bij nul terug te brengen.
- Breng de compressieve belasting langzaam aan met een belastingssnelheid tussen 20 psi en 50 psi per seconde.
- De compressietest kan enkele minuten doorgaan met de belasting die voortdurend toeneemt en met significante spanning in het specimen zichtbaar. Ga door met de test totdat een maximale belasting duidelijk is bereikt.
- Noteer de maximale belasting van het scherm.
- Herhaal voor alle specimens, zowel met specimens parallel als loodrecht op de nerf.
Trektest
- Verkrijg hondenbotspecimens van drie verschillende houtsoorten (bijvoorbeeld Zuidelijke den, spar en eik). Eén set van de specimens moet worden getest met de belasting parallel aan de nerf en de andere set van specimens moet worden getest met de belasting loodrecht op de nerf. Merk op dat dit niet het specimentype is dat vereist is voor ASTM-tests op hout, omdat de bedoeling is om trekgedrag te demonstreren en niet om een database voor ontwerp te ontwikkelen.
- Ga door zoals normaal met de gebruikelijke trektestmachine (zie tweede manuscript in deze serie: Trektests op Staal).
Buigtest
- Verkrijg een 2x4 van ongeveer 24 inch lang van dicht Zuidelijke den.
- Installeer een vierpunts buigtestapparaat op de universele testmachine (Fig. 1).
Figuur 1: Vierpunts buigapparaat.
- Start de testmachine en bijbehorende software. Zorg ervoor dat de software is ingesteld om de maximale belasting vast te leggen en de belastingen en kruiploperwaarden te registreren.
- Installeer de 2x4 in het apparaat en laat de bovenste kruiploper zakken tot het apparaat net begint contact te maken met de houten balk.
- Breng de belasting langzaam aan (ongeveer 2000 lbs per minuut) tot de balk breekt (Fig. 2).
Figuur 2: Buigfalen van houten balk.
- Noteer de breukbelasting.
Hout is een alomtegenwoordig materiaal dat van de vroegste tijden tot nu is gebruikt in de bouw. Hernieuwbaar en duurzaam, hout is een structureel materiaal dat veel wordt gebruikt in de techniek voor de bouw van eengezinswoningen en ook voor het omlijsten van scheidingswanden en andere niet-structurele elementen in commerciële en industriële gebouwen.
Vanwege zijn natuurlijke oorsprong, heeft hout mechanische eigenschappen die zijn gekoppeld aan de individuele boomsoorten. Het vochtgehalte en andere variabelen, bijvoorbeeld de aanwezigheid van defecten. Voor een specifieke toepassing, moet een ontwerper zorgvuldig nadenken over de verwachte belastingen op een houten onderdeel of structuur om de maximale effectiviteit van het materiaal te garanderen.
Deze video zal illustreren hoe de mechanische eigenschappen van verschillende soorten hout worden getest en hun spanning-vervormingsgedrag en flecturale prestaties worden bepaald.
Hout bestaat uit langwerpige, ronde of rechthoekige buisvormige cellen die veel langer zijn dan breed. Binnenin de muur zijn er verschillende lagen gemaakt van microfibrillen, die bundels van cellulosepolymeren zijn.
Microfibrilkettingen zijn in verschillende richtingen uitgelijnd binnenin de lagen van de muren. De middelste muur met zijn kettingen uitgelijnd langs de langere dimensie van de cel geeft het grootste deel van de sterkte aan de cel, terwijl de diagonale kettingen van de binnen- en buitenmuren stabiliteit bieden. Lignine bindt de cellulosepolymeren samen, evenals de microfibrilkettingen en de cellen van de muren. Het bundelingseffect van veel cellen samen resulteert in een zeer sterk constructiemateriaal.
Hout is een biologisch materiaal en is daarom zeer vatbaar voor milieuverval en aanvallen door ongedierte. Veel van het hout dat vandaag de dag wordt gebruikt, is voorbehandeld met chemicaliën om het te beschermen tegen de omgeving en insectenaanvallen.
Hout is een inhomogeen materiaal dat wordt gekenmerkt door een groot aantal onvolkomenheden of defecten, zoals bijvoorbeeld knopen en splitsingen. Als gevolg hiervan worden grote veiligheidsfactoren of verhoudingen van ontwerpsterkte tot daadwerkelijke uiteindelijke sterkte gebruikt om rekening te houden met grote variatie in de technische eigenschappen van verschillende houten stukken.
Vanwege zijn cellulaire opbouw is hout een orthotrop materiaal, met verschillende eigenschappen langs de longitudinale en respectievelijk transversale assen ten opzichte van de nerfrichting. Als gevolg hiervan zal het materiaal zich anders gedragen voor belastingen parallel of loodrecht op de houtvezel. De orthotrope eigenschappen van hout kunnen worden verbeterd door verschillende methoden.
Laminate zoals triplex zijn gemaakt van lagen met vezels die in loodrechte richtingen zijn uitgelijnd, wat resulteert in een isotroop materiaal. Alternatief, glulam is gemaakt van dunne stroken vezels die in dezelfde richting zijn uitgelijnd en onder druk zijn verlijmd, waarbij het zijn sterkte haalt uit het verdelen van defecten.
De cellulaire opbouw van hout geeft ook aanleiding tot het vrije water in de holtes van de cellen en het water dat aan de celwanden is gebonden. Als gevolg hiervan is het vochtgehalte een sleutelparameter bij het bepalen van de houtsterkte, en in het algemeen zal vochtreductie resulteren in een toename van de sterkte. Volumetrische veranderingen geassocieerd met drogen kunnen leiden tot niet-uniforme krimp en vervorming zoals verdraaiing, buigen, cup of krom.
Aangezien hout een polymeren materiaal is, is het ook vatbaar voor kruipen of, onder constante belasting, voor continue viskeuze vervorming. Wanneer de belasting wordt vrijgegeven, wordt het grootste deel van de vervorming hersteld. Als gevolg hiervan kan hout over het algemeen veel hogere spanningen dragen als de duur van de belasting kort is. Aangezien al deze factoren te complex zouden zijn voor gebruik in dagelijks ontwerp, gebruiken we voor structurele doeleinden het volgende: een statistische analyse van de uiteindelijke defectvrije sterktewaardes voor veel soorten, correcties voor vochtgehalte en sterkte verhoudingen op basis van houtkwaliteit om te corrigeren voor sterkte-reducerende effecten.
De eigenschappen die voor de meeste houtsoorten worden gegeven, worden in tabelvorm gepubliceerd voor gemakkelijk naslagwerk. Deze eigenschappen zijn: toelaatbare buigspanning, spanning parallel aan de nerf, horizontale afschuiving, compressie loodrecht op de nerf, compressie parallel aan de nerf en de elasticiteitsmodulus. Naast de basisoriëntatie-specifieke eigenschappen van de houtsoort, moet duidelijk zijn dat niet al het hout zich op dezelfde manier gedraagt onder belasting.
Nu u de fysische eigenschappen van hout en de principes van houttesten begrijpt, laten we deze gebruiken om een paar tests uit te voeren.
Voordat u begint, kiest u drie variëteiten hout om te vergelijken. Voor elke variëteit, bereidt u twee compressiekubussen met nominale randdimensies van 3,5 inch voor. Zorg ervoor dat de kubussen vrij zijn van defecten en dat hun tegenoverliggende oppervlakken parallel zijn. Markeer één exemplaar van elke variëteit voor testen met een belasting die loodrecht op de nerf wordt toegepast, en de overige exemplaren voor testen met een belasting die loodrecht op de nerf wordt toegepast.
Meet de hoogte van de richting van belasting van elk testexemplaar met een schuifmaat. En herhaal de meting op een paar locaties om de geschatte gemiddelde te bepalen. Wanneer u klaar bent, gebruikt u dezelfde procedure om de dwarsdoorsnede van elk exemplaar te bepalen.
Stel de universele testmachine in zoals weergegeven in de JoVE-video over materiaalconstanten. Plaats vervolgens voorzichtig een exemplaar in de juiste oriëntatie op de compressieplaat. Laat de kruiskop zakken tot er een lichte belasting wordt toegepast en gebruik vervolgens de fijne bediening om de belasting zo dicht mogelijk bij nul terug te brengen.
Breng nu de drukkracht toe met een belastingssnelheid van 40 psi per seconde. De compressietest kan enkele minuten duren terwijl de belasting toeneemt en met significante zichtbare spanning in het exemplaar. Laat de test doorgaan totdat een duidelijke maximale belasting is bereikt.
Noteer de maximale belasting wanneer de test is voltooid en herhaal vervolgens de procedure
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why does wood behave differently when loads are applied parallel versus perpendicular to the grain?
Wood is an orthotropic material with different mechanical properties along longitudinal and transversal axes relative to grain direction. Its cellular structure, composed of elongated tube-like cells with microfibrils aligned in distinct directions, causes it to respond differently to parallel versus perpendicular loads. This directional variation significantly affects strength and performance in structural applications.
Q2: What role does moisture content play in determining wood strength?
Moisture content is a key parameter affecting wood strength, with reduced moisture generally increasing strength. Wood contains free water in cell cavities and water bound to cell walls. Drying causes volumetric changes that may result in nonuniform shrinkage and distortion such as twist, bow, cup, or crook, which engineers must account for in design.
Q3: How do plywood and glulam improve wood's orthotropic properties?
Plywood layers fibers in perpendicular directions, creating an isotropic material with uniform properties in all directions. Glulam aligns thin strips in the same direction and glues them under pressure, distributing defects throughout the material. Both methods overcome wood's natural directional weakness, making the composite materials stronger and more predictable for structural use.
Q4: What is the purpose of a four-point bending test in wood structural evaluation?
A four-point bending test loads a simply-supported beam with two equal point loads at its third points, creating a central portion with constant moment and zero shear. This test is critical for assessing flexural performance because wood structural elements in floor systems are primarily loaded by bending stresses, making it essential for ensuring design safety.
Q5: How do defects and inhomogeneities affect wood's engineering properties?
Wood is an inhomogeneous material with numerous imperfections such as knots and splits that create large variations in engineering properties between different wood pieces. Engineers use large factors of safety—ratios of design strength to actual ultimate strength—to account for these defects. This conservative approach ensures structural reliability despite natural material variability.
Q6: Why does wood experience creep under sustained loading?
As a polymeric material, wood is prone to creep, undergoing continuous viscous-like deformation under constant load. When the load is released, most deformation is recovered. Consequently, wood can support much higher stresses if loading duration is short, making load duration a critical design consideration for long-term structural performance.
Q7: What mechanical properties are typically published in wood design tables for structural engineers?
Published wood properties include allowable bending stress, tension parallel to grain, horizontal shear, compression perpendicular to grain, compression parallel to grain, and modulus of elasticity. These orientation-specific properties, combined with statistical analysis of defect-free strength values, moisture content corrections, and wood grade ratios, provide engineers with standardized data for everyday design applications.