FIZYCZNE I MECHANICZNE WŁAŚCIWOŚCI DREWNA
Praca ta ma na celu ukazanie wpływu wody na właściwości drewna i zróżnicowanie wytrzymałości drewna różnych gatunków. Zawiera obraz cech fizycznych poszczególnych rodzajów drewna (gęstość drewna w różnych warunkach uwilgocenia, udział drewna późnego gat. iglastych i perścieniowo-naczyniowych, udział substancji drzewnej, porowatość drewna, wilgotność względną, bezwzględną i maksymalną drewna, skurcz całkowity i jednostkowy, współczynnik pęcznienia jednostkowego, wskaźnik nasycenia drewna powietrznie suchego, wilgotność maksymalną, a także właściwości mechanicznych (wytrzymałość na zginanie statyczne, wytrzymalość na ściskanie wzdłuż włókien przy danej wilgotności, udarność).
Wyniki dotyczące właściwości fizycznych badanych próbek znajdują się w załącznikach.
1-Tabela zawiera informacje dotyczące drewna powietrznie suchego (Xp)
Zauważono różnice w wartościach gęstości drewna powietrznie suchego. Największą gęstością charakteryzują się Db i Bk (0,74 g/cm3), następnie Brz (0,62 g/cm3), najmniejszą natomiast gęstością charakteryzuje się Jd i Tp (odpowiednio 0,49 i 0,44 g/cm3). Widzimy także, że najcięższą próbką okazał się Bk i Db, a najlżejszą natomiast Jd. Kolejność ciężaru jest taka sama jak gęstości, co jest logiczną kontynuacją tego, że gęstość zależy od ciężaru właściwego.
Tabela zawiera także informacje na temat średniej szerokości słoja rocznego, oraz procentowego udziału drewna późnego. Najszerszym słojem charakteryzuje się drewno Tp (4 mm), najmniejszym natomiast Sow (0,83 mm). Wyniki te jednak mogą nie być dokładne dla gatunku, gdyż są określone na podstawie jednej tylko próbki i w miejscu wybranym w sposób nielosowy.
Biorąc pod uwagę udział drewna późnego ,to największy jego udział zawiera Db (74%), następnie obie sosny (ok. 45%), ostatnia jest Jd (28%).
2-Tabela zawiera informacje dotyczące drewna absolutnie suchego (Y0).
Zauważono że największy skurcz występuje w kierunku stycznym, mniejszy w kierunku promieniowym, a w kierunku podłużnym prawie nie występuje. Anizotropia dotyczy wszystkich gatunków. różne natomiast są jej wartości. I tak najmniejszą wartość skurczu jednostkowego w kierunku promieniowym wykazuje Sosz (ok. 1%), największą natomiast Bk (2,5%).
W kierunku stycznym największy skurcz jednostkowy również przypada na Bk (2,8%) najmniejszy na So (2,0%). W kierunku podłużnym skurcz jednostkowy występuje tylko u Sow. Pozostałe gatunki nie wykazały skurczu .
Biorąc pod uwagę skurcz objętościowy tendencja anizotropii jest taka sama.
Zauważono także, że skurcze obliczone na podstawie wzorów empirycznych wykazują o wiele większe wartości, ale wskazują na te same zależności anizotropowe.Tabela zawiera także wyniki dotyczące porowatości i zawartości substancji drzewnej. Największym udziałem substancji drzewnej, a co za tym idzie najmniejszą porowatością charakteryzuje się drewno Db 47% i Bk 48%. Najmniejszym zaś udziałem substancji drzewnej i największą porowatością Jd 31% i Tp 27%.
Zauważono także , że największą wilgotność bezwzględną (Wbp) posiada Db i Brz, a względną (Wwp) drewna powietrznie te same gatunki.
3-Tabela opisuje drewno maksymalnie uwilgotnione.
Największym pęcznieniem charakteryzuje się kierunek styczny, niezależnie od gatunku. Największym i najmniejszym pęcznieniem charakteryzują się te same gatunki, które miały skrajne wartości skurczu.
W tabeli obliczono także wskaźnik nasycenia drewna powietrznie suchego, który największy jest dla Bk, a najmniejszy dla Tp i Sosz.
Największą wilgotnością drewna maksymalnie uwilgotnionego charakteryzuje się Tp, następnie Jd, najmniejszą zaś Db.
4-Wilgotność maksymalna drewna
Wilgotność maksymalna liczona za pomocą wilgotności higroskopijnej przyjmuje mniejsze wartości niż ta sama wilgotność liczona za pomocą gęstości względnej. Z wszystkich trzech sposobów obliczeń wynika, że najwyższą wilgotność maksymalną posiada Tp, najmniejszą zaś Db.
5-Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien
Zauważono, że największą odpornością na działanie siły niszczącej posiada Sow, a najmniejszą Tp, Brz i Sosz.
Taką odporność wykazywały próbki przy danej wilgotności . po przeliczeniu ich do wartości z uwzględnieniem wilgotności 12% tendencja i uszeregowanie pozostało takie same lecz wartości uległy zwiększeniu.
Próbki wykazały dość małe zróżnicowanie w odporności na zginanie statyczne. Największą siłę niszczącą zniosła So (około 300 kg), najmniejszą zaś odporność wykazała Tp (100kg).
Najmniejszą odpornością w badaniu udarności wykazała Tp, największą zaś brzoza.ąb 114,33Kpa.
Uzyskane w pracy wyniki odbiegają od danych zawartych w literaturze. Przyczynami tego są: niedokładność pomiarowa, bardzo mały materiał empiryczny i brak uśrednienia wyników nietypowe populacje do pobierania próbek, u niektórych cech wpływ miała także subiektywna selektywność zamiast losowości (słoistość, udział drewna późnego). Przykładem tych różnic jest porównanie gęstości drewna absolutnie suchego [kg/m3] wg Krzysika z tą wartością z naszych badań.
Gatunek |
wg Krzysika |
z obliczeń |
Jd |
410 |
467 |
Db |
660 |
709 |
Bk |
690 |
724 |
Brz |
610 |
588 |
Tp |
400 |
418 |
Analizując wartości skurczu i pęcznienia jednostkowego zauważyliśmy po pierwsze pewną analogię do gęstości drewna w stanie absolutnie suchym, oraz pewną prawidłowość zmienności tej cechy w różnych kierunkach. W przypadku pierwszym sprawa wydaje się oczywista, jako że większa gęstość drewna w stanie absolutnie suchym świadczy o większej ilości substancji drzewnej. Substancja drzewna wchłaniając lub oddając wodę, zmienia swoje wymiary, a więc jej zawartość w drewnie w sposób „liniowy” wpływa na wartość skurczu i pęcznienia.
W przypadku drugim wytłumaczeniem tak dużej zmienności skurczu i pęcznienia drewna w różnych kierunkach jest chemiczna submikroskopowa i mikroskopowa budowa drewna.
Różnica zmienności długości stycznej i promieniowej wynika z mikro, a nawet z makroskopowej budwy drewna. Chodzi tu przede wszystkim o różną ilość pęczniejącej substancji drzewnej, która w przekroju promieniowym pomniejszona jest o wartość wynikająca z mniejszej gęstości drewna wczesnego. Teoria ta wydaje się słuszna w przypadku gatunków iglastych i pierścieniowonaczyniowych, sytuacja jednak komplikuje się przy gatunkach rozpierzchłonaczyniowych, gdzie różnice powinny być znacznie mniejsze, a są identyczne. Niewystarczające wydaje się również rozwiązanie problemu w literaturze gdzie F. Krzysik w „Nauce o drewnie” traktuje drewno wczesne jako tłumiące pęcznienie w kierunku promieniowym.
Dla praktycznego zastosowania zmienności objętość drewna przy absorpcji i desorpcji wody wprowadzony został współczynnik pęcznienia jednostkowego, który w naszym przypadku zachowuje słuszność tylko dla drewna So i Jd których wilgotność higroskopijna wynosi wg Krzysika 28%. Dla innych gatunków zachowuje ona wartości przybliżone.
Wytrzymałość drewna na ściskanie, zginanie statyczne i udarność tej cechy jest niezwykle ważne przy projektowaniu drewnianych elementów konstrukcyjnych.
W przypadku wytrzymałości na ściskanie drewno charakteryzuje się znacznie mniejszą wytrzymałością od stali i betonu, wykazuje jednak znacznie większą odporność na rozciąganie. Wynika to z anizotropowej budowy drewna i dużej wytrzymałości celulozy przy rozciąganiu. Drewno jednak przy takim obciążeniu spotykamy rzadko, a częściej obciążane jest siłami ściskającymi (kopalniaki, pale nośne, słupy), zginającymi statycznie (krokwie) lub siłami działającymi dynamicznie. Dwie pozostałe cechy to wartości niezwykle cenne w drewnie, ponieważ drewno praktycznie nie wykazuje odkształcenia w zakresie działania siły w zakresie wartości krytycznych, a wykazuje pełną sprężystość.
Wnioski
surowiec drzewny z gatunków cięższych charakteryzuje się większym rozmiarem pęcznienia. Jest to zależność praktycznie liniowa
wytrzymałość dynamiczna drewna na ściskanie jest w ogromnym stopniu uzależniona od wilgotności drewna
najlepszym surowcem odpornym na ściskanie jest drewno pierścieniowonaczyniowe (sosnę wąskosłoistą można potraktować jako anomalię w naszym przypadku), jego wysokonaturalna trwałość sprawia, że jest to najlepszy gatunek na różnego rodzaju podpory i słupy przenoszące duże obciążenia
w elementach konstrukcyjnych, w których wymagana jest duża wytrzymałość w stosunku do małej masy, najlepszym surowcem jest drewno pochodzące z sosny wąskosłoistej lub brzozy
brzoza jako gatunek o wytrzymałości wysoce konkurencyjnej z pierścieniowonaczyniowymi i sosną, zasługuje na większe zainteresowanie jako doskonały surowiec drzewny.
Literatura:
F. Krzysik „Nauka o drewnie”
2