목재 테스트

목재는 길쭉한, 둥근 또는 직사각형 튜브와 같은 세포로 구성됩니다. 이 세포는 넓은 (20-40 μm)보다 훨씬 더 길고 (2-4mm)이며, 세포의 길이는 종종 나무의 길이와 관련이 있습니다. 세포벽은 셀룰로오스(폴리머)로 만들어졌으며, 중합체 사슬은 세포벽을 형성하는 각 층의 뚜렷한 방향으로 정렬된다. 체인이 세포의 긴 치수를 따라 정렬된 중간 벽은 셀에 대부분의 강도를 제공하며 내부 및 외부 벽의 대각선 체인은 안정성을 제공합니다. 세포벽 구조는 30-60 μm 길이의 결정성 구조와 짧은 비정질 섹션으로 반 결정성입니다. 사슬과 세포는 리그닌으로 알려진 물질에 의해 함께 결합됩니다. 각 셀은 상대적으로 약하지만, 리그닌에 의해 함께 제공되는 많은 세포의 번들 효과는 매우 강력하고 유용한 시공 물질을 초래한다. 이것에 대한 좋은 비유는 붙어 있거나 묶여있는 많은 빨대의 한 마시는 빨대의 저항입니다.

나무가 생물학적 물질이라는 순수한 사실은 원소에 노출되면 해충에 의한 환경 붕괴와 공격에 매우 취약합니다. 따라서, 오늘날 사용되는 나무의 대부분은 환경과 곤충 공격으로부터 보호하기 위해 화학 물질로 전처리된다. 그 나무는 생물학적 물질은 또한 같은 나무 종 내에서도 나무 조각 사이의 엔지니어링 특성에 큰 변화가 있음을 의미한다. 많은 수의 결함이 불가피하게 존재하여 나무를 불동성 있는 재료로 만듭니다. 이러한 결함은 분기 또는 사지의 일부가 나무의 본체에 통합 된 매듭의 결과입니다. 따라서, 안전의 큰 요인, 또는 실제 궁극적 인 강도에 디자인 강도의 비율은 나무 디자인에 사용된다. 목재의 안전 요소에 대한 일반적인 값은 굽힘 중인 멤버의 경우 2.5이며, 설계 코드는 99%의 구성원이 최소 1.25인의 안전 요소를 가질 수 있도록 보정됩니다.

나무의 셀룰러 메이크업은 정형 외과 재료입니다. 따라서, 재료가 세포의 긴 면에 평행 또는 수직으로 로드되는 경우 특성이 다를 것이다. 이 속성은 재료가 동위 (모든 세 방향으로 동일한 속성)하지만 직교 (두 방향으로 고유 한 특성 : 세로 및 긴 셀 방향으로 횡단)로 탄성의 일반적인 이론을 직접 사용할 수 없음을 의미한다. 셀룰러 메이크업은 또한 나무의 수분 함량이 강도를 결정하는 핵심 매개 변수임을 의미합니다. 이러한 두 가지 요인 은 일상적인 디자인에 사용하기에는 너무 복잡하므로 구조적 목적으로 목재의 디자인은 다음과 같은 접근 방식에 의해 결정된 선형 이론및 허용 응력을 기반으로 합니다.

1. 다양한 상용종에 대한 다수의 궁극의 클리어우드(또는 결함이 없는) 강도 값에 대한 통계적 분석이 수행된다. 명목 응력은 값이 95% 더 크고 5%는 명목상 궁극강도보다 낮습니다.
2. 이 요소는 목재의 대부분의 엔지니어링 특성에 큰 영향을 미치기 때문에 수분 함량을 고려하여 값이 수정됩니다. 나무의 수분은 주로 세포 구멍에 있는 자유로운 물과 세포벽에 묶인 물로 이루어져 있습니다. 나무가 건조되면, 그것은 무료 물을 제거하기 쉽지만, 결합 된 물을 제거하는 것은 훨씬 어렵다. 세포벽에서 물이 제거되기 시작하는 수분 함량을 섬유 포화점(FSP)이라고 합니다. 일반적으로 수분 감소로 인해 강도가 증가하며, 특히 FSP 이하로 레벨이 떨어집니다. 녹색 상태의 목재 (또는 갓 잘라) 큰 수분 함량 (발사 같은 종에 대한 100 % 이상) 및 대부분의 종에 대한 22 %에서 30 %의 범위 FSP 아래 수분 함량이 떨어질 때까지 상당한 강도를 얻기 시작하지 않습니다. 목재는 수분 함량이 19% 이상이면 녹색(또는 젖은 상태로 절단)된 것으로 간주되며, 그 한계 보다 낮으면 건조하게 표면화됩니다. 공기 건조 목재는 약 12%-15%의 수분 함량을 가지며 가마 건조 목재는 10% 미만입니다. 나무는 가구와 같은 특수 응용 프로그램에 필요한 경우에만 가마 건조; 대부분의 일반적인 구조 응용 분야에서 는 공기 건조가 충분합니다.
3. 강도 비율은 주어진 응력 등급에서 허용되는 강도 감소 결함을 설명하기 위해 클리어우드 값을 조정하는 데 다음 사용됩니다. 엔지니어링 목재 품질측정인 응력 등급은 일반적으로 빠른 육안으로 검사하거나 생산 라인에서 실행되는 굽힘 테스트를 기반으로 할당됩니다. 후자의 경우, 강성은 탄성의 계수에 비례하며 강도와 상관관계가 있습니다. 대부분의 목재에 일반적으로 주어진 특성은 허용 구부리 응력 (F_b),수평 전단 (F_v),곡물 (F c),압축 은 곡물 (F_c),탄성의 계수 (E)에 수직 압축 평행. 나무종의 기본 방향별 특성 외에도 모든 숲이 부하 하에서 동일한 방식으로 행동하지는 않는다는 것이 분명해야 합니다. 가문비 나무, 소나무 또는 전나무와 같은 부드러운 숲은 상대적으로 저렴하므로 주로 광 프레임 구조의 구조적 목적으로 사용됩니다. 오크나 히코리와 같은 딱딱한 숲은 성장률과 패턴이 다르기 때문에 숲을 보충하기가 더 어려워지고 특정 건설 응용 분야에 비해 뛰어난 특성을 제공합니다.

대량의 체적 변화는 수분 함량의 감소와 관련이 있다는 점에 유의해야 합니다. 건조로 인한 수축도 균일하지 않습니다. 예를 들어, 더글러스 전나무의 경우 방사형 수축은 4.8%, 접선 수축은 7.6%, 체적 수축은 12.4%입니다. 목재는 중합체 물질이기 때문에 크리프하거나 일정한 부하 하에서 점점과 같은 변형이 연속되는 경향이 있습니다. 따라서 장재 기간이 짧은 경우 목재는 일반적으로 훨씬 더 높은 응력을 지원할 수 있습니다. 로드 기간 계수가 이 동작을 설명하는 데 사용됩니다. 지진 하중및 대형 폭풍우의 경우 10분 이하의 부하 지속시간이 짧은 경우, 로드 지속 시간이 충분히 짧기 때문에 설계 값을 1.6로 곱할 수 있습니다.

일반적으로 사용되는 다른 보정 요소는 크기 계수, 반복적인 멤버 팩터 및 폼 팩터입니다. 크기 계수는 대부분의 목재 데이터가 얕은 빔 테스트에서 생성된다는 사실을 고려하며, 깊이가 12개 미만이며 결함(소위 크기 effect)으로 인해 부재의 크기가 증가함에 따라 평균 강도가 감소하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 반복적 인 요인은 나무 구성원이 종종 서로 가까운 곳에서 사용되며 바닥 횡격막과 수집가에 의해 함께 묶여 있다는 사실을 설명하는 데 사용되므로 개별 멤버의 약점이나 실패는 불균형한 붕괴로 이어지지 않습니다 (즉, 실패는 지역화될 것입니다). 마지막으로 멤버의 종횡비(깊이/두께)도 테스트 결과에 영향을 줍니다. 이러한 교정 요인의 모든 기본적으로 경험적이다, 하지만 실험실 테스트 결과 및 현장에서 성능 경험의 통계에 따라 정당화.

나무의 정형 외과 특성은 합판과 같은 라미네이트를 만들어 개폐물 형태로 개생 할 수 있으며, 섬유가 수직 방향으로 정렬된 층은 등위 위축 물질을 초래합니다. 비슷한 방식으로, 같은 방향으로 정렬되고 압력하에 붙어 있는 섬유의 얇은 스트립으로 만든 구성원, 또는 접착제 적층 (글루람), 결함을 배포에서 자신의 힘을 파생.

압축 테스트

1. 명목 3-1/2" 3개의 다른 숲의 압축 큐브 표본을 얻습니다(예를 들어 남부 소나무, 가문비 나무 및 참나무). 큐브는 4x4 섹션에서 절단 할 수 있지만 맑은 나무가어야합니다. 서피스가 서로 평행하게 되어야 합니다. 한 세트의 표본은 곡물과 평행하게 적용된 하중으로 테스트해야 하며, 다른 시편 세트는 곡물에 수직으로 적용된 하중으로 테스트해야 합니다. 집합 내의 테스트 반복 수는 원하는 신뢰도 제한에 따라 달라집니다. 이 실험실의 목적은 기술을 시연하고 엔지니어링 설계를 위한 대규모 강력한 데이터 세트를 개발하지 않는 것이기 때문에 세트당 하나의 테스트만 이 실험실의 일부로 실행됩니다.
2. 캘리퍼를 사용하여 각 테스트 시편의 단면 치수(폭 및 두께)를 가장 가까운 0.002 인치로 측정합니다. 압축 시편의 총 길이(적재 방향)를 측정합니다. 시편은 길이 전반에 걸쳐 치수가 약간 다를 수 있으므로 여러 측정을 수행하며 측정된 각 치수에 대해 대략적인 평균을 기록합니다.
3. 범용 테스트 기계를 설정 한 후 (이 시리즈의 첫 번째 원고 참조 : 재료 상수), 조심스럽게 압축 플레이트에 표본을 중심과 약간의 부하가 적용 될 때까지 크로스 헤드를 낮춥니다. 미세 컨트롤을 사용하여 부하를 가능한 한 0에 가깝게 되돌릴 수 있습니다.
4. 초당 20 psi에서 50 psi 사이의 로딩 속도로 압축 부하를 천천히 적용합니다.
5. 압축 테스트는 시편에서 볼 수 있는 상당한 변형으로 부하가 지속적으로 증가하고 상당한 변형으로 몇 분 동안 계속될 수 있습니다. 최대 부하가 분명히 도달할 때까지 테스트를 계속합니다.
6. 화면에서 최대 부하를 기록합니다.
7. 모든 표본에 대해 반복하며, 표본은 곡물에 평행하고 수직으로 반복됩니다.

장력 테스트

1. 세 가지 다른 숲의 개 뼈 표본을 얻을 (예를 들어 남부 소나무, 가문비 나무, 참나무). 한 세트의 표본은 곡물과 평행하게 적용된 하중으로 테스트해야 하며, 다른 시편 세트는 곡물에 수직으로 적용된 하중으로 테스트해야 합니다. 이러한 표본은 나무에 대한 ASTM 테스트에 필요한 표본 유형이 아니며, 의도는 인장 동작을 시연하고 설계데이터베이스를 개발하지 않는 것입니다.
2. 일반적인 장력 테스트 기계와 정상적으로 진행하십시오 (이 시리즈의 두 번째 원고: 강철에 대한 인장 테스트 참조).

굽힘 테스트

1. 2x4약 24in. 긴 조밀한 남부 소나무를 얻습니다.
2. 범용 테스트 기계에 4점 굽힘 테스트 장치를 설치합니다(도 1).

그림 1: 4점 굽힘 장치.

3. 테스트 머신 및 관련 소프트웨어를 시작합니다. 소프트웨어가 최대 부하를 캡처하고 로드 및 크로스헤드 값을 기록하도록 설정되어 있는지 확인합니다.
4. 장치가 나무 빔과 접촉하기 시작할 때까지 2x4를 장치에 설치하고 상부 크로스헤드를 낮춥다.
5. 빔 골절 때까지 부하(분당 약 2,000lbs)를 천천히 적용합니다(도 2).

그림 2: 목재 빔 굴곡 고장.

6. 실패 부하를 기록합니다.

압축, 장력 및 굽힘 테스트 결과가 표 1에 요약됩니다. 모든 결과에 의해 일관되게 표시된 것처럼, 오크는 가문비 나무와 남쪽 소나무 다음으로 가장 강한 나무입니다.

표 1: 목재 테스트 요약

표 2: 정규화된 데이터

표 2는 표 1과 동일한 데이터를 제공하지만 오크 재질의 강도로 정규화됩니다. 두 가지 가장 중요한 속성에 대 한, 구부리는 강도와 곡물에 평행 압축, 가문비 나무에 대 한 것 같다 87% 남쪽 소나무 약 78% 오크만큼 강한. 숲 사이의 매우 큰 가격 차이를 감안할 때, 그것은 남부 소나무, 그들 중 가장 저렴한 것으로 보인다, 매우 효율적인 선택이다.

나무는 정형 외과 특성을 전시하는 지속 가능한 천연 소재입니다. 다른 실험실에서는 금속, 폴리머 및 콘크리트와 같은 재료가 장력 또는 압축으로 시험되어 재료가 동상적으로 작용한다는 가정하에 특정 하중에 대한 저항성이 재료의 방향에 관계없이 동일하다는 것을 의미합니다. 예를 들어 강철은 마이크로 스케일에서 임의로 지향되는 곡물을 무수히 가지고 있어 매크로 스케일에서 균질하고 동위학적 특성을 제공합니다. 그러나 쉽게 식별할 수 있는 곡물 방향을 가진 나무는 이소열대적으로 작용하지 않습니다. 따라서 설계자는 재료의 최대 효과를 보장하기 위해 목재 부재 또는 구조에 예상되는 로딩을 신중하게 고려해야 합니다. 또한, 자연 기원으로 인해 나무는 나무의 개별 종, 수분 함량 및 시험 시편의 크기에 연결된 기계적 특성을 가지고 있습니다.

최근까지, 나무 구조는 아파트 또는 작은 사무실 건물에서 서너 층으로 제한되었다. 교차 적층 목재의 개발, 서로 직각에 지향 층으로 구성된 목재 패널 다음 접착, 8 개 이상의 이야기에 도달 할 수있는 구조 시스템의 개발 결과. 20층 순으로 훨씬 더 높은 건물들이 아직 개발 중입니다.