$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Drewno to wszechobecny materiał, który był używany w budownictwie od najdawniejszych czasów. Odnawialne i zrównoważone drewno jest materiałem konstrukcyjnym szeroko stosowanym w inżynierii do budowy jednorodzinnych budynków mieszkalnych, a także do obramowania ścianek działowych i innych elementów niekonstrukcyjnych w budynkach komercyjnych i przemysłowych.
Ze względu na swoje naturalne pochodzenie drewno posiada właściwości mechaniczne związane z poszczególnymi gatunkami drzew. Zawartość wilgoci i inne zmienne, na przykład obecność wad. W przypadku konkretnego zastosowania projektant musi dokładnie rozważyć przewidywane obciążenia elementu drewnianego lub konstrukcji, aby zapewnić maksymalną efektywność materiału.
Ten film zilustruje, w jaki sposób testować właściwości mechaniczne różnych rodzajów drewna i określać ich zachowanie naprężeniowo-odkształceniowe oraz wydajność fleksturalną.
Drewno składa się z wydłużonych, okrągłych lub prostokątnych komórek przypominających rury, które są znacznie dłuższe niż szerokie. Wewnątrz ściany znajduje się kilka warstw wykonanych z mikrofibryli, które są wiązkami polimerów celulozy.
Łańcuchy mikrofibrylne są ułożone w różnych kierunkach wewnątrz warstw ścian. Środkowa ściana z łańcuchami ustawionymi wzdłuż dłuższego wymiaru komórki zapewnia większość wytrzymałości komórki, podczas gdy ukośne łańcuchy ścian wewnętrznych i zewnętrznych zapewniają stabilność. Lignina wiąże ze sobą polimery celulozy, a także łańcuchy mikrofibrylne i komórki ścian. Efekt wiązania wielu ogniw razem powoduje, że materiał konstrukcyjny jest bardzo mocny.
Drewno jest materiałem biologicznym, a co za tym idzie, jest bardzo podatne na rozkład środowiska i atak szkodników. Znaczna część używanego obecnie drewna jest wstępnie impregnowana chemikaliami w celu ochrony przed środowiskiem i atakiem owadów.
Drewno jest materiałem niejednorodnym, charakteryzującym się dużą liczbą niedoskonałości czy wad takich jak np. sęki i pęknięcia. W związku z tym duże różnice w właściwościach konstrukcyjnych różnych elementów drewna wykorzystuje się duże czynniki bezpieczeństwa lub stosunek wytrzymałości konstrukcyjnej do rzeczywistej wytrzymałości końcowej.
Ze względu na swój skład komórkowy drewno jest materiałem ortotropowym, posiadającym różne właściwości wzdłuż odpowiednio osi podłużnej i poprzecznej w stosunku do kierunku słojów. W konsekwencji materiał będzie zachowywał się inaczej w stosunku do obciążeń równoległych lub prostopadłych do włókna drzewnego. Właściwości ortotropowe drewna można poprawić różnymi metodami.
Laminaty, takie jak sklejka, są wykonane z warstw z włóknami ułożonymi w prostopadłych kierunkach, w wyniku czego powstaje materiał izotropowy. Alternatywnie, drewno klejone warstwowo składa się z cienkich pasków włókien ustawionych w tym samym kierunku i sklejonych pod ciśnieniem, które swoją wytrzymałość czerpią z dystrybucji defektów.
Skład komórkowy drewna odpowiada również za wolną wodę wewnątrz jam komórkowych i wodę związaną ze ścianami komórkowymi. W związku z tym wilgotność jest kluczowym parametrem określającym wytrzymałość drewna i ogólnie rzecz biorąc, zmniejszenie wilgotności spowoduje wzrost wytrzymałości. Zmiany objętościowe związane z suszeniem mogą powodować nierównomierne skurcze i zniekształcenia, takie jak skręt, łuk, miseczka lub zgięcie.
Ponieważ drewno jest materiałem polimerowym, jest również podatne na pełzanie lub, pod stałym obciążeniem, na ciągłe odkształcenia przypominające lepkość. Po zwolnieniu obciążenia większość odkształcenia jest odzyskiwana. W rezultacie drewno może generalnie wytrzymać znacznie większe naprężenia, jeśli czas trwania obciążenia jest krótki. Ponieważ wszystkie te czynniki byłyby zbyt złożone, aby można je było wykorzystać w codziennym projektowaniu, do celów konstrukcyjnych stosujemy następujące elementy: analizę statystyczną ostatecznych wartości wytrzymałości wolnej od wad dla wielu gatunków, poprawki na zawartość wilgoci oraz współczynniki wytrzymałości oparte na gatunku drewna w celu skorygowania efektów zmniejszających wytrzymałość.
Właściwości powszechnie podawane dla większości gatunków drewna są publikowane w formie tabelarycznej dla łatwego odniesienia. Właściwości te to: dopuszczalne naprężenie zginające, naprężenie równoległe do włókien, ścinanie poziome, ściskanie prostopadłe do włókien, ściskanie równoległe do włókien oraz moduł sprężystości. Oprócz podstawowych właściwości gatunkowych drewna związanych z orientacją, powinno być oczywiste, że nie każde drewno zachowuje się tak samo pod obciążeniem.
Teraz, gdy rozumiesz właściwości fizyczne drewna i zasady testowania drewna, użyjmy ich do przeprowadzenia kilku testów.
Zanim zaczniesz, wybierz trzy odmiany drewna do porównania. Dla każdej odmiany przygotuj dwie próbki kostki kompresyjnej o nominalnych wymiarach krawędzi 3,5 cala. Upewnij się, że kostki są wolne od wad, a ich przeciwległe powierzchnie są równoległe. Oznaczyć jedną próbkę z każdej odmiany do badania z ładunkiem przyłożonym równolegle do ziarna, a pozostałe próbki do badania z obciążeniem przyłożonym prostopadle do ziarna.
Zmierzyć wysokość kierunku ładowania każdej próbki do badań za pomocą suwmiarki. I powtórz pomiar w kilku miejscach, aby określić przybliżoną średnią. Po zakończeniu użyj tej samej procedury, aby określić wymiary przekroju poprzecznego każdej próbki.
Ustaw uniwersalną maszynę wytrzymałościową, jak pokazano na filmie JoVE dotyczącym stałych materiałowych. Następnie ostrożnie wyśrodkuj próbkę we właściwej orientacji na płycie kompresyjnej. Obniż poprzeczkę, aż zostanie przyłożone niewielkie obciążenie, a następnie użyj precyzyjnych elementów sterujących, aby cofnąć obciążenie do poziomu jak najbardziej zbliżonego do zera.
Teraz zastosuj obciążenie ściskające z szybkością obciążenia 40 psi na sekundę. Próba ściskania może trwać kilka minut wraz ze wzrostem obciążenia i ze znacznym widocznym naprężeniem próbki. Pozwól, aby test był kontynuowany, aż zostanie osiągnięte oczywiste maksymalne obciążenie.
Po zakończeniu badania należy zapisać maksymalne obciążenie, a następnie powtórzyć procedurę dla pozostałych próbek.
Wykonaj kolejną próbę ściskania i tym razem przyłóż obciążenie prostopadłe do ziarna próbki. Powtórz procedurę dla innych odmian drewna.
Teraz przygotuj kilka próbek dogbone przy użyciu tych samych trzech odmian drewna. Przygotuj jeden zestaw próbek z ziarnem równoległym do długiego wymiaru, a drugi zestaw z ziarnem prostopadłym do długiego wymiaru.
Wykonaj próby rozciągania na wszystkich sześciu próbkach, jak pokazano na filmie JoVE dotyczącym charakterystyki naprężenie-odkształcenie stali.
Uzyskaj dwa na cztery o długości około 24 cali każdej odmiany drewna. Zamontuj czteropunktową aparaturę do badania zginania na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej. Gdy aparatura będzie gotowa, uruchom maszynę testującą. Dostosuj ustawienia testu, aby rejestrować obciążenia i wartości poprzeczki oraz rejestrować maksymalne obciążenie. Zainstaluj próbkę w aparacie i upuść górną poprzeczkę, aż urządzenie zacznie stykać się z drewnianą belką.
Zastosuj obciążenie z prędkością 2,000 funtów na minutę, aż belka pęknie. Zapisz obciążenie powodujące uszkodzenie po zakończeniu testu, a następnie powtórz test dla pozostałych próbek.
Użyj tabeli, aby podsumować wyniki testów ściskania, rozciągania i zginania. Następnie w każdej kolumnie znormalizuj dane do wartości maksymalnej i utwórz nową tabelę.
Teraz spójrz na swoje wyniki. Jak konsekwentnie pokazują wszystkie wyniki, najmocniejszym drewnem jest dąb, a następnie świerk i sosna południowa. Ze względu na dwie najważniejsze właściwości, wytrzymałość na zginanie i ściskanie równoległe do słojów, świerk wydaje się być około 87%, a sosna południowa około 78%, tak mocny jak dąb. Biorąc pod uwagę bardzo dużą różnicę cen między lasami, sosna południowa jako najtańsza z nich jest bardzo efektywnym wyborem.
Testowanie drewna ma ogromne znaczenie w inżynierii budowlanej dla oceny zdolności ostatecznych projektów do radzenia sobie z naprężeniami i odkształceniami podczas rutynowego użytkowania w celu zapewnienia bezpieczeństwa produktu i zgodności z międzynarodowymi standardami.
W czteropunktowej próbie zginania prosto podparta belka jest obciążona dwoma równymi obciążeniami punktowymi w trzecim punkcie, w wyniku czego powstaje środkowa część o stałym momencie i zerowym ścinaniu. Test ten ma kluczowe znaczenie w przypadku systemów podłogowych, w których elementy konstrukcyjne drewna są przede wszystkim obciążone naprężeniami zginającymi.
Jeszcze do niedawna konstrukcje drewniane były ograniczone do trzech lub czterech pięter w bloku mieszkalnym lub małym biurowcu. Rozwój drewna klejonego krzyżowo doprowadził do opracowania systemów konstrukcyjnych zdolnych do osiągnięcia ośmiu lub więcej pięter. Podczas gdy znacznie wyższe budynki, rzędu 20 pięter, są nadal w budowie.
Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do testowania drewna JoVE. Powinieneś teraz zrozumieć właściwości inżynieryjne drewna oraz sposób wykonywania prób rozciągania, ściskania i zginania na próbkach drewna.
Dzięki za oglądanie!
