Resistenza del legno calcolata. proprietà del legno

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-18 04:15

Quando si progettano, si sviluppano o si producono strutture in legno, è importante conoscere le proprietà di resistenza del materiale: la resistenza di progetto del legno, che viene misurata come un chilogrammo per centimetro quadrato. Per studiare gli indicatori vengono utilizzati campioni di dimensioni standard, segati da tavole o legname del grado richiesto, senza difetti esterni, nodi e altri difetti. Successivamente, il campione viene testato per la resistenza a compressione, flessione, allungamento.

Tipi di legno

Il legno è un materiale versatile che può essere facilmente lavorato e viene utilizzato in vari settori di produzione: edilizia, mobili, utensili e altri oggetti per la casa. Il campo di applicazione dipende dal tipo di legno con diverse proprietà fisiche, chimiche e meccaniche. Nella costruzione, sono particolarmente apprezzate conifere come abete rosso, cedro, pino, larice, abete. In misura minore, alberi a foglie caduche - betulla, pioppo, pioppo tremulo, quercia, nocciolo, tiglio, ontano, faggio.

Le varietà di conifere sono utilizzate sotto forma di legname tondo, legname, tavole per la fabbricazione di pali di supporto, capriate, pali, ponti, case, archi, strutture industriali e altre strutture edilizie. I materiali in legno duro rappresentano solo un quarto del consumo totale. Ciò è dovuto alle peggiori proprietà fisiche e meccaniche del legno di latifoglia, quindi stanno cercando di essere utilizzate per la fabbricazione di strutture con bassi carichi portanti. Di solito vanno a bozze e nodi di oggetti temporanei.

L'uso del legno in edilizia è regolato dalle regole in accordo con le proprietà fisiche e meccaniche del legno. Queste proprietà dipendono dall'umidità e dalla presenza di difetti. Per gli elementi portanti l'umidità non deve superare il 25%, per altri prodotti non ci sono tali requisiti, ma esistono norme per specifici difetti del legno.

Composizione chimica

Nel 99% della massa del legno sono presenti sostanze organiche. La composizione delle particelle elementari per tutte le rocce è la stessa: azoto, ossigeno, carbonio e idrogeno. Formano lunghe catene di molecole più complesse. Il legno è composto da:

• La cellulosa è un polimero naturale con un alto grado di polimerizzazione delle molecole a catena. Sostanza molto stabile, non si dissolve in acqua, alcool o etere.
• La lignina è un polimero aromatico con una struttura molecolare complessa. Contiene una grande quantità di carbonio. Grazie a lui appare la lignificazione dei tronchi d'albero.
• L'emicellulosa è un analogo della cellulosa ordinaria, ma con un grado di polimerizzazione inferiore delle molecole a catena.
• Estrattivasostanze - resine, gomme, grassi e pectine.

L' alto contenuto di resine nelle conifere preserva il materiale e gli permette di mantenere a lungo le sue proprietà originali, aiutando a resistere agli influssi esterni. I prodotti in legno di bassa qualità con un numero elevato di difetti sono utilizzati principalmente nell'industria chimica del legno come materia prima per la produzione di carta, legno incollato o per l'estrazione di elementi chimici come i tannini utilizzati nella produzione della pelle.

Aspetto

Il legno ha le seguenti proprietà esterne:

• Colore. Percezione visiva della composizione spettrale riflessa della luce. Importante quando si scelgono i tronchi come materiale di finitura.
• La colorazione dipende dall'età e dal tipo di albero, nonché dalle condizioni climatiche in cui è cresciuto.
• Splendi. La capacità di riflettere la luce. Il tasso più alto si nota in quercia, frassino, acacia.
• Texture. Il modello formato dagli anelli annuali del tronco.
• Microstruttura. Determinato dalla larghezza dell'anello e dal contenuto di legno tardivo.

Gli indicatori vengono utilizzati nella valutazione esterna della qualità della registrazione. L'ispezione visiva rivela i difetti e l'idoneità dei materiali per l'uso successivo.

Difetti del legno

Nonostante gli ovvi vantaggi rispetto ai materiali di sintesi, il legno, come qualsiasi materia prima naturale, ha i suoi svantaggi. La presenza, il grado e l'area della lesione sono regolatidocumenti normativi. I principali difetti del legno includono:

• sconfitta, marciume, funghi e parassiti;
• obliquo;
• tasche di resina;
• nodi;
• crepe.

Il nodo riduce la resistenza del legno, di particolare importanza è il loro numero, dimensione e posizione. I nodi sono divisi in tipi:

• Sano. Cresci saldamente insieme al corpo dell'albero e siedi saldamente nelle tasche, non marcire.
• A discesa. Sbucciare e cadere dopo aver segato il materiale.
• Arrapato. Di colore scuro e hanno una struttura più densa rispetto al legno vicino;
• Oscurato. Nodi con lo stadio iniziale di decadimento.
• Largo - marcio.

Secondo la posizione, i nodi sono divisi in:

• cucito;
• artigliato;
• invaso;
• figliastri.

Slant riduce anche la resistenza alla flessione del legno ed è caratterizzato dalla presenza di fessure e strati a spirale nel tondo, nel materiale segato sono diretti ad angolo rispetto alle nervature. I prodotti con tale difetto sono di bassa qualità, utilizzati esclusivamente come fortificazioni temporanee.

Le cause delle crepe dipendono dalle condizioni esterne e dalle specie legnose. Si formano a causa di essiccazione irregolare, gelo, stress meccanico e molti altri fattori. Appaiono sia sugli alberi vivi che su quelli tagliati. A seconda della posizione sul tronco e della forma, le crepe sono chiamate:

• gelido;
• sernitsa;
• metica;
• riduci.

Le crepe non solo riducono la qualità del legno, ma contribuiscono anche al rapido decadimento e distruzione delle fibre.

Il marciume si forma a seguito dell'infezione da funghi putrefattivi e altri tipi di funghi che compaiono sugli alberi in crescita e abbattuti. I funghi che vivono su tronchi vivi sono parassiti, che infettano gli anelli annuali e li fanno staccare. Altre specie si depositano già sulle strutture finite e provocano decadimento, delaminazione, screpolature.

Il motivo della comparsa degli organismi nocivi è un ambiente favorevole alla loro riproduzione: umidità superiore al 50% e calore. Sul legno ben essiccato, i microrganismi non si sviluppano. Una categoria speciale di parassiti dovrebbe includere gli insetti che preferiscono insediarsi nelle strutture di legno, muovendosi al loro interno, danneggiando così le fibre e riducendone la forza.

Umidità del legno

Uno degli indicatori importanti per la resistenza normativa e progettuale del legno. Influisce sulla percentuale di acqua nelle fibre del tronco. Umidità - percentuale della massa di umidità sul materiale secco. La formula di calcolo è simile alla seguente: W=(m–m₀)/m₀ 100, dove m è la massa iniziale del pezzo, m 0 _{- peso del campione secco assoluto. L'umidità è determinata in due modi: asciugando e utilizzando speciali misuratori di umidità elettronici.}

Il legno si divide in diversi tipi in base al contenuto di umidità:

• Bagnato. Insieme acontenuto di umidità superiore al 100%, che corrisponde a una lunga permanenza nell'acqua.
• Taglio fresco. Con un contenuto dal 50 al 100%.
• Asciugare all'aria. Con contenuto di fibre d'acqua compreso tra 15 e 20%.
• Stanza asciutta. Con un contenuto di umidità compreso tra 8 e 12%.
• Totalmente asciutto. Con 0% di contenuto d'acqua, ottenuto per essiccamento a 102°.

L'acqua è nell'albero in forma libera e vincolata. L'umidità libera è nelle cellule e nello spazio intercellulare, legata - sotto forma di legami chimici.

Influenza dell'umidità sulle proprietà del legno

Ci sono diversi tipi di proprietà a seconda del contenuto di umidità nella struttura del legno:

• Il restringimento è una diminuzione del volume delle fibre di pasta di legno quando l'acqua legata viene rimossa da esse. Più fibre, più umidità del tipo legato. Rimuovere l'umidità non dà un tale effetto.
• Warping - un cambiamento nella forma del legno nel processo di essiccazione. Si verifica quando i tronchi non vengono asciugati o segati correttamente.
• Assorbimento dell'umidità: l'igroscopicità del legno o la capacità di assorbire l'umidità dall'ambiente.
• Gonfiore - un aumento del volume delle fibre di legno quando il materiale si trova in un ambiente umido.
• Assorbimento d'acqua: la capacità del legno di aumentare la propria umidità assorbendo il liquido gocciolante.
• Densità - misurata come massa per unità di volume. All'aumentare dell'umidità, aumenta la densità e viceversa.
• Permeabilità - la capacità di far passare l'acqua attraverso se stessa ad alta pressione.

Dopo l'asciugaturail legno perde la sua naturale elasticità e diventa più rigido.

Durezza

Il coefficiente di durezza è determinato utilizzando il metodo Brinell o il test Yankee. La loro differenza fondamentale sta nella tecnica di misurazione. Secondo Brinell, una sfera di acciaio temprato viene posizionata su una superficie piana di legno e su di essa viene applicata una forza di 100 chilogrammi, dopodiché viene misurata la profondità del foro risultante.

Il test Yankee utilizza una palla da 0,4 pollici e misura quanta forza, in libbre, ci vuole per spingere la palla di metà diametro nell'albero. Di conseguenza, maggiore è il risultato, più duro è l'albero e maggiore è il coefficiente. Tuttavia, all'interno della stessa varietà, gli indicatori differiscono, che dipendono dal metodo di taglio, dall'umidità e da altri fattori.

Di seguito è riportata una tabella della durezza del legno Brinell e Yankee per le specie più comuni.

Nome	Durezza Brinell, kg/mm2	Durezza yankee, libbre
Acacia	7, 1
Betulla	3	1260
Betulla della Carelia	3, 5	1800
Elm	3	1350
Pera	4, 2
Rovere	3, 7-3, 9	1360
Abete		660
Tiglio		400
Larice	2, 5	1200
Alder	3	590
Noce europeo	5
Noce spagnola	3, 5
Aspen		420
Abete		350-500
Rowan		830
Pino	2, 5	380-1240
Ciliegia	3, 5
Melo		1730
Ash	4-4, 1	1320

Dalla tabella della durezza del legno si può notare che:

• pioppo tremulo, abete rosso, pino - alberi molto teneri;
• betulla, tiglio, ontano e larice sono legni teneri;
• olmo e noce sono di media durezza;
• quercia, melo, frassino ciliegio, pero e hanno un coefficiente di durezza normale;
• Il faggio, la locusta e il tasso sono varietà molto dure.

Il legno duro è durevolealle sollecitazioni meccaniche e viene utilizzato per componenti critici di strutture in legno.

Densità

La densità è direttamente correlata al contenuto di umidità delle fibre. Pertanto, al fine di ottenere indicatori di misura omogenei, viene essiccato ad un livello del 12%. Un aumento della densità del legno porta ad un aumento della sua massa e forza. In base all'umidità, il legname è diviso in diversi gruppi:

• Le rocce a densità più bassa (fino a 510 kg/m³). Questi includono abete, pino, abete rosso, pioppo, cedro, salice e noce.
• Rossi a media densità (nell'intervallo 540-750 kg/m³). Questi includono larice, tasso, olmo, betulla, faggio, pero, quercia, frassino, sorbo, melo.
• Rocce ad alta densità (oltre 750 kg/m³). Questa categoria include betulla e ceppi.

Di seguito è riportata una tabella di densità per diverse specie di alberi.

Nome della razza	Densità della roccia, kg/m3
Acacia	830
Betulla	540-700
Betulla della Carelia	640-800
Faggio	650-700
Ciliegia	490-670
Elm	670-710
Pera	690-800
Rovere	600-930
Abete	400-500
Salice	460
Cedro	580-770
Acero europeo	530-650
Acero canadese	530-720
acero campestre	670
Larice	950-1020
Alder	380-640
Noce	500-650
Aspen	360-560
Abete	350-450
Rowan	700-810
Lilla	800
Prugna	800
Pino	400-500
Pioppo	400-500
Gio	340-390
Ciliegio di uccelli	580-740
Ciliegia	630
Melo	690-720

Le specie di conifere hanno la densità più bassa, mentre le specie decidue hanno la densità più alta.

Stabilità

La resistenza calcolata del legno include una cosa come la stabilitàesposizione all'umidità. Il grado viene misurato su una scala a cinque punti quando l'umidità dell'aria cambia:

1. Instabilità. Deformazione significativa appare anche con un leggero cambiamento di umidità.
2. Stabilità media. Un notevole grado di deformazione appare con un leggero cambiamento di umidità.
3. Stabilità relativa. Appare un leggero grado di deformazione con un leggero cambiamento di umidità.
4. Stabilità. Nessuna deformazione visibile con lievi variazioni di umidità.
5. Stabilità assoluta. Non c'è assolutamente alcuna deformazione anche con un grande cambiamento di umidità.

Di seguito è riportato un grafico di stabilità delle specie legnose comuni.

Nome della razza	Grado di stabilità
Acacia	2
Betulla	3
Betulla della Carelia	3
Faggio	1
Ciliegia	4
Elm	2
Pera	2
Rovere	4
Abete	2
Cedro	4
Acero europeo	2
Acero canadese	2
Acero campestre	1
Larice	2-3
Alder	1
Noce americana	4
Noce brasiliana	2
Noce	4
Noce europeo	4
Noce spagnola	3
Aspen	1
Abete	2
Pioppo	1
Ciliegio di uccelli	1
Ciliegia	2
Melo	2

Le cifre sono calcolate per legno con un contenuto di umidità del 12%.

Caratteristiche meccaniche

La qualità del legno è determinata dai seguenti indicatori:

• Resistenza all'usura - la capacità del legno di resistere all'usura durante l'attrito. Con l'aumento della durezza del materiale, la sua usura diminuisce con una distribuzione irregolare sulla superficie del campione. Il contenuto di umidità del legno influisce anche sulla resistenza all'usura. Più è basso, maggiore è la resistenza.
• Deformabilità - la capacità di ripristinare la forma dopo la scomparsa delle forze agenti. Quando il legno è compresso,deformazione del pezzo, che scompare con il carico. Il principale indicatore di deformabilità è l'elasticità, che aumenta con il contenuto di umidità del legno. Con l'essiccazione graduale, l'elasticità si perde, il che porta a una diminuzione della resistenza alla deformazione.
• Flessibilità - la naturale capacità del legno di piegarsi sotto carichi. Le specie decidue hanno buone prestazioni, le conifere in misura minore. Queste capacità sono importanti nella fabbricazione di prodotti piegati, che vengono prima inumiditi e poi piegati e asciugati.
• Resistenza all'impatto: la capacità di assorbire la forza dell'impatto senza scheggiare il legno. Il test viene eseguito utilizzando una sfera d'acciaio, che viene fatta cadere sul pezzo da un' altezza. Le varietà caducifoglie mostrano risultati migliori rispetto alle conifere.

I carichi costanti deteriorano gradualmente le proprietà del legno e portano alla fatica del materiale. Anche l'albero più durevole non è in grado di resistere alle influenze esterne.

Specifiche normative

Gli indicatori di resistenza normativa sono necessari per la fabbricazione di vari tipi di strutture. Il legno è considerato idoneo se gli indicatori non sono inferiori ai valori calcolati. Nei test vengono utilizzati solo campioni standard con un contenuto di umidità non superiore al 15%. Per il legno con un valore di umidità diverso, viene utilizzata una formula speciale per la resistenza di progetto, quindi gli indicatori vengono convertiti in valori standard.

Quando si progettano strutture in legno, è importante conoscere i valori di resistenza effettivi del materiale di partenza. In re altà sono inferiori a quelli normativi ottenuti sui campioni di prova. Dati di riferimentoottenuto per carico e deformazione di provini di dimensioni standard.

Caratteristiche del design

La resistenza progettuale del legno è data dalle sollecitazioni sui diversi piani dei campioni di legno create da determinati carichi che un albero può sopportare in qualsiasi momento fino a quando non viene completamente distrutto. Queste cifre differiscono per allungamento, compressione, flessione, taglio e schiacciamento.

Le cifre effettive si ottengono moltiplicando i dati normativi per i coefficienti delle condizioni di lavoro.

Nome	Coefficiente di resistenza del legno di progetto
	Sforzo lungo le fibre	Tensione attraverso le fibre	Chipping
Larice	1, 2	1, 2	1
Cedro siberiano	0, 9	0, 9	0, 9
Pino	0, 65	0, 65	0, 65
Abete	0, 8	0, 8	0, 8
Rovere	1, 3	2	1, 3
Acero, Frassino	1, 3	2	1, 6
Acacia	1, 5	2, 2	1, 8
Faggio, betulla	1, 1	1, 6	1, 3
Elm	1	1, 6	1
Pioppo, ontano, pioppo tremulo, tiglio	0, 8	1	0, 8

Le condizioni di lavoro sono influenzate da tutta una serie di fattori. I coefficienti di cui sopra tengono conto di tali fattori. Qualsiasi esposizione all'umidità sulle strutture comporta una riduzione delle prestazioni finali.

Conclusione

Quando si progettano strutture in legno, è importante conoscere gli indicatori calcolati dei materiali utilizzati nella costruzione. I singoli nodi subiranno carichi permanenti o temporanei che possono portare alla loro completa distruzione. I dati specificati in GOST e SNiP sono stati ottenuti testando campioni standard. Tuttavia, i valori effettivi differiranno notevolmente da quelli normativi. Pertanto, per i calcoli vengono utilizzate le formule fornite dagli standard.