בדיקות על עץ

עץ מורכב מתאים מוארכים, עגולים או מלבניים דמויי צינור. תאים אלה ארוכים בהרבה (2-4 מ"מ) מאשר הם רחבים (20-40 מיקרומטר), כאשר אורך התאים קשור לעתים קרובות לאורך העץ. קירות התא עשויים תאית (פולימר), עם שרשראות פולימריות מיושרות בכיוונים ברורים בכל אחת מהשכבות היוצרות את דופן התא. הקיר האמצעי, עם שרשראותיו מיושרות לאורך הממד הארוך יותר של התא, מספק את רוב הכוח לתא, בעוד שרשרות האלכסון של הקיר הפנימי והחתיוני מספקות יציבות. מבנה דופן התא הוא גבישי למחצה, עם מבנים גבישיים באורך 30-60 מיקרומטר ואחריו קטעים אמורפיים קצרים. השרשראות והתאים קשורים זה לזה על ידי חומר המכונה ליגנין. כל תא חלש יחסית, אבל ההשפעה של תאים רבים יחד המסופקים על ידי ליגנין גורמת לחומר בנייה חזק מאוד ושימושי. אנלוגיה טובה לכך היא ההתנגדות של קש שתייה יחיד לעומת זה של קשיות רבות מודבקות או קשורות זו לזו.

העובדה העצום כי עץ הוא חומר ביולוגי עושה את זה רגיש מאוד ריקבון סביבתי והתקפה על ידי מזיקים אם הוא חשוף ליסודות. לפיכך, חלק גדול מהעץ המשמש כיום מטופל מראש בכימיקלים כדי להגן עליו מפני הסביבה וממתקפת חרקים. זה עץ הוא חומר ביולוגי גם אומר שיש שונות גדולה בתכונות ההנדסיות בין חתיכות עץ, אפילו בתוך אותו מין עץ. מספר רב של פגמים יהיה נוכח בהכרח, מה שהופך את העץ לחומר inhomogeneous. פגמים אלה הם תוצאה של קשרים, שבו חלק ענף או איבר שולב בגוף הראשי של העץ. כתוצאה מכך, גורמים גדולים של בטיחות, או היחסים של כוח העיצוב לכוח האולטימטיבי בפועל, משמשים בעיצוב עץ. ערכים אופייניים לגורמי בטיחות בעץ הם 2.5 לחברים בכיפוף, וקודי עיצוב מכוילים כך של-99% מהחברים יהיה לפחות גורם בטיחות של 1.25.

ההרכב התאי של עץ הופך אותו לחומר אורתופדי. לכן, המאפיינים יהיו שונים אם החומר טעון במקביל או מאונך לצד הארוך של התאים. מאפיין זה אומר כי התיאוריה הרגילה של גמישות לא ניתן להשתמש ישירות כמו החומר אינו איזוטרופי (אותם מאפיינים בכל שלושת הכיוונים) אבל אורתוטרופי (תכונות נפרדות בשני כיוונים: אורך רוחב לכיוון התא הארוך יותר). האיפור התאי פירושו גם שתכולת הלחות של העץ היא פרמטר מרכזי בקביעת כוחו. שני גורמים אלה יהיו מורכבים מדי לשימוש בעיצוב יומיומי, ולכן עיצוב עץ למטרות מבניות מבוסס על תיאוריה ליניארית ועל לחצים מותרים שנקבעו על ידי הגישה הבאה:

1. ניתוח סטטיסטי של מספר רב של ערכי כוח אולטימטיביים של clearwood (או ללא פגמים) עבור המינים המסחריים השונים מבוצע. הלחצים הנומינליים מבוססים על כך ש-95% מהערכים גדולים יותר, ו-5% נמוכים מהכוח האולטימטיבי הנומינלי.
2. הערכים מתוקנים כדי להסביר את תכולת הלחות, שכן גורם זה משפיע מאוד על רוב המאפיינים ההנדסיים של עץ. הלחות בעץ מורכבת בעיקר ממים חופשיים בחללי התא ומים הכרוכים בקירות התא. כאשר עץ מיובש, קל להסיר מים חינם, אבל הרבה יותר קשה להסיר מים קשורים. תכולת הלחות שבה מים מתחילים להיות מוסרים מקיר התא נקראת נקודת רוויית הסיבים (FSP). באופן כללי, הפחתות לחות לגרום לעלייה בכוח, במיוחד כמו הרמה יורדת מתחת FSP. עץ במצבו הירוק (או חתך טרי) יהיה תוכן לחות גדול (מעל 100% עבור מינים כמו בלזה) ולא יתחיל לצבור כוח משמעותי עד שתכולת הלחות שלו יורדת מתחת ל- FSP, אשר נע בין 22% ל 30% עבור רוב המינים. עץ נחשב ירוק על פני השטח (או לחתוך במצב רטוב) כאשר תכולת הלחות שלה הוא מעל 19%, ועל פני השטח יבש אם מתחת למגבלה זו. עץ יבש באוויר יהיה בעל תכולת לחות של כ-12%-15%, בעוד שעץ יבש כבשן נמוך מ-10%. עץ מיובש כבשן רק במידת הצורך עבור יישומים מיוחדים כגון רהיטים; עבור רוב היישומים המבניים הנפוצים ייבוש אוויר מספיק.
3. יחסי כוח משמשים לאחר מכן להתאמת ערכי העץ המובהק על מנת להסביר את הפגמים החוסכים המותרים ברמת מתח נתונה. ציונים מתח, מדד של איכות עץ הנדסי, מוקצים בדרך כלל על סמך בדיקה חזותית מהירה, או מבדיקות כיפוף לרוץ בפס הייצור. במקרה האחרון, הנוקשות היא פרופורציונלית מודולוס של גמישות, וזה אז בקורלציה כוח. המאפיינים הניתנים בדרך כלל עבור רוב היערות הם מתח כיפוף מותר (F_b), גיסת אופקית (F_v),דחיסה במקביל דגנים (F_c),דחיסה בניצב לתבואה (F_c), ואת מודולוס של גמישות (E). בנוסף למאפיינים הבסיסיים הספציפיים להתמצאות של מין עץ, יש לראות כי לא כל היערות מתנהגים באותו אופן תחת עומס. עצים רכים יותר, כגון אשוחית, אורן או אשוח, הם זולים יחסית ולכן משמשים בעיקר למטרות מבניות במבנים מסגרת אור. יערות קשים יותר, כגון אלון או היקורי, יש קצב צמיחה שונה דפוס, מה שהופך את היער קשה יותר לחדש, תוך מתן להם מאפיינים מעולים עבור יישומי בנייה מסוימים.

חשוב לציין כי שינויים נפחיים גדולים קשורים לירידה בתכולת הלחות. ההתכווצות הנובעת מייבוש אינה אחידה. לדוגמה, עבור אשוח דאגלס, ההתכווצות הרדיאלית היא 4.8%, ההתכווצות המשיקת היא 7.6%, וההתכווצות הנפחית היא 12.4%. כמו עץ הוא חומר פולימרי, הוא גם נוטה לזחול, או עיוות צמיג מתמשך כמו תחת עומס מתמיד. כתוצאה מכך, עץ יכול בדרך כלל לתמוך בלחצים גבוהים בהרבה אם משך הטעינה קצר. גורם משך עומס משמש לחשבון עבור אופן פעולה זה. אם משכי העומס קצרים, כגון 10 דקות או פחות במקרה של עומסי רעידת אדמה וסופות רוח גדולות, ניתן להכפיל את ערכי העיצוב ב- 1.6 מכיוון שמשך העומס קצר מספיק כדי שלא תתרחש זחילה ניכרת.

גורמי תיקון אחרים הנפוצים הם גורם הגודל, גורם החבר החוזר על עצמו וגורם הטופס. גורם הגודל מסביר את העובדה כי רוב נתוני העץ נוצר מבדיקות קרן רדודות, פחות מ 12 פנימה לעומק, וידוע כי הכוח הממוצע פוחת ככל שגודל החבר גדל בשל נוכחות של פגמים (מה שנקרא גודל effect). הגורם החוזר ונשנה משמש כדי להסביר את העובדה כי חברי עץ משמשים לעתים קרובות בסמיכות זה לזה והם קשורים יחד על ידי דיאפרגמות רצפה ואספנים, כך החולשה או הכישלון של חבר בודד אינו מוביל לקריסה לא פרופורציונלית (כלומר, כשלים יהיו מקומיים). לבסוף, יחס הגובה-רוחב (עומק/עובי) של חבר משפיע גם על תוצאות הבדיקה. כל גורמי התיקון הללו הם אמפיריים בעיקרון, אך מוצדקים על סמך סטטיסטיקה של תוצאות בדיקות מעבדה וניסיון ביצועים בתחום.

המאפיינים האורתוטרופיים של עץ ניתן לשפר על ידי יצירת למינציה, כגון דיקט, שבו שכבות עם סיבים מיושרים בכיוונים בניצב לגרום חומר איזוטרופי. באופן דומה, חברים עשויים רצועות דקות של סיבים מיושרים באותו כיוון ומודבקים תחת לחץ, או דבק למינציה (glulam), שואבים את כוחם מהפצת פגמים.

בדיקת דחיסה

1. השג דגימות קוביות דחיסה נומינליות בגודל 3-1/2 אינץ' משלושה יערות שונים (אורן דרומי, אשוחית ואלון למשל). ניתן לחתוך את הקוביות ממקטע 4x4 אך צריך להיות עץ צלול. ודאו שהמשטחים יהיו מקבילים זה לזה. קבוצה אחת של דגימות צריך להיבדק עם העומס להחיל במקביל תבואה, ואת קבוצה אחרת של דגימות צריך להיבדק עם העומס מיושם בניצב על התבואה. מספר החזרות על המבחן בתוך קבוצה תלוי במגבלות הביטחון הרצויות. רק בדיקה אחת לכל קבוצה תנוהל כחלק ממעבדה זו, שכן מטרותיה הן להדגים את הטכניקות ולא לפתח ערכות נתונים גדולות וחזקות לתכנון הנדסי.
2. מדוד את הממדים הצולבים (רוחב ועובי) של כל דגימת בדיקה ל- 0.002 in הקרוב ביותר באמצעות קליפר. מדוד את האורך הכולל (בכיוון הטעינה) עבור דגימות הדחיסה. מכיוון שהדגימות עשויות להשתנות מעט בממדים לאורך כל אורכן, יש לבצע מספר מדידות ולתעד את הממוצע המשוער עבור כל ממד נמדד.
3. לאחר הגדרת מכונת הבדיקה האוניברסלית (ראה כתב יד ראשון בסדרה זו: קבועי חומרים), מרכז בזהירות את הדגימה על צלחת הדחיסה והנמיך את ראש הצלב עד להחלת עומס קל. השתמש בפקדים העדינים כדי לגבות את העומס קרוב לאפס ככל האפשר.
4. החל את עומס דחיסה לאט עם קצב טעינה בין 20 פסאיי ל 50 psi לשנייה.
5. בדיקת הדחיסה עשויה להימשך מספר דקות כאשר העומס גדל ללא הרף ועם מאמץ משמעותי שנראה בדגימה. המשך הבדיקה עד לעומס מרבי.
6. הקלט את העומס המרבי מהמסך.
7. חוזרים על הפעולה עבור כל הדגימות, הן עם דגימות מקבילות והן מאונכות לתבואה.

מבחן מתח

1. להשיג דגימות עצם כלב של שלושה יערות שונים (אורן דרומי, אשוחית, ואלון למשל). קבוצה אחת של דגימות צריך להיבדק עם העומס להחיל במקביל תבואה, ואת קבוצה אחרת של דגימות צריך להיבדק עם העומס מיושם בניצב על התבואה. שים לב כי אלה אינם סוג הדגימה הנדרש לבדיקות ASTM על עץ, שכן הכוונה היא להפגין התנהגות מתיחה ולא לפתח מסד נתונים לעיצוב.
2. המשך כרגיל עם מכונת מבחן המתח הרגילה (ראה כתב יד שני בסדרה זו: מבחני מתיחה על פלדה).

מבחן כיפוף

1. להשיג 2x4 על 24 ב ארוך של אורן דרומי צפוף.
2. התקן מנגנון בדיקת כיפוף ארבע נקודות במכונת הבדיקה האוניברסלית (איור 1).

איור 1: מנגנון כיפוף ארבע נקודות.

3. הפעל את מכונת הבדיקה ואת התוכנות המשויכות. ודא שהתוכנה מוגדרת ללכוד את העומס המרבי ולתעד את העומסים וערכי הצלב.
4. התקן את 2x4 לתוך המנגנון ולהנמיך את הראש העליון עד המנגנון רק מתחיל ליצור קשר עם קרן העץ.
5. יש למרוח את העומס לאט (כ-2,000 ליברות לדקה) עד לשברים בקרן (איור 2).

איור 2: כשל כיפוף קרן עץ.

6. הקלט את עומס הכשל.

תוצאות בדיקת הדחיסה, המתח והכשפוף מסוכמות בטבלה 1. כפי שניתן לראות בעקביות על ידי כל התוצאות, אלון הוא העץ החזק ביותר, ואחריו אשוחית ואורן דרומי.

טבלה 1: סיכום בדיקת עץ

טבלה 2: נתונים מנורמלים

טבלה 2 מציגה את אותם נתונים כמו בטבלה 1 אך מנורמלת לעוצמת חומר האלון. עבור שני המאפיינים החשובים ביותר, כוח כיפוף ודחיסה במקביל לתבואה, אשוחית נראה בערך כ 87% ואת האורן הדרומי בערך 78% חזק כמו האלון. בהתחשב בהפרש המחירים הגדול מאוד בין היערות, נראה כי אורן דרומי, כמו הזול ביותר מהם, הוא בחירה יעילה מאוד.

עץ הוא חומר בר קיימא וטבעי המציג תכונות אורתוטרופיות. במעבדות אחרות, חומרים כגון מתכות, פולימרים ובטון נבדקו במתח או דחיסה עם ההנחה שהחומר פועל איזוטרופית, כלומר עמידותו לעומס מסוים זהה ללא קשר לכיוון החומר. פלדה, למשל, יש מספר עצום של דגנים מכוונים באופן אקראי בקנה המידה מיקרו, נותן לו תכונות הומוגניות ואיזוטרופיות בקנה המידה מאקרו. עם זאת, עץ, עם כיוון התבואה הניתן לזיהוי בקלות, אינו פועל איזוטרופית. לכן, מעצב חייב לשקול בזהירות את הטעינות הצפויות על חבר עץ או מבנה כדי להבטיח יעילות מקסימלית של החומר. בנוסף, בשל מקורו הטבעי, לעץ יש תכונות מכניות הקשורות למינים בודדים של עץ, תכולת הלחות וגודל דגימת הבדיקה.

עד לאחרונה, מבני עץ הוגבלו לשלוש או ארבע קומות בדירה או בבניין משרדים קטן. פיתוחים של עץ למינציה צולבת, לוחות עץ המורכבים משכבות המכוונות בזוויות ישרות זו לזו ולאחר מכן מודבקות, הביאו להתפתחות של מערכות מבניות המסוגלות להגיע ל -8 סיפורים או יותר. בניינים גבוהים בהרבה, בסדר גודל של 20 קומות, עדיין בפיתוח.