Βασικές αρχές στατικού υπολογισμού
Το ξύλο είναι φυσικό δημιούργημα και, λόγω της ανατομικής του δομής, είναι ένα ανομοιογενές δομικό υλικό. Μπορεί να συγκριθεί με μια δέσμη σωλήνων, χωριστά διατεταγμένων παράλληλα και δακτυλιοειδών γύρω από τον πυρήνα του δέντρου — ετήσιους δακτυλίους ή δακτυλίους — που παντού έχουν διαφορετικές διατομές και πάχη τοιχωμάτων, δηλαδή πρώιμο και όψιμο ξύλο.
Η αντοχή του ξύλου εξαρτάται από τις συνθήκες υπό τις οποίες αναπτύχθηκε το ξύλο και σε μεγάλο βαθμό επηρεάζονται από ελαττώματα ξύλου, ανωμαλίες στην ανάπτυξη, την ηλικία του ξύλου τη στιγμή της κοπής και χρήσης και ιδιαίτερα η υγρασία του.
Η μέση τιμή αντοχής δεν διαφέρει μόνο για μεμονωμένα δέντρα από την ίδια περιοχή, αλλά και για το ίδιο δέντρο μειώνεται από το πιο χοντρό στο λεπτότερο άκρο. Σε διατομή, οι νεότεροι ετήσιοι δακτύλιοι κάτω από το φλοιό αντιπροσωπεύουν το καλύτερο και σκληρότερο ξύλο. Ένας ειδικός στη δασοκομία μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες του ξύλου μόνο σε περιορισμένο βαθμό, ενώ ο χρήστης δύσκολα μπορεί να αλλάξει τις ιδιότητες αντοχής με απλά μέσα.
Αντοχή σε θλίψη
Πίεση προς την κατεύθυνση των ινών
Κατά την εξέταση των δειγμάτων δοκιμής, τα οποία είναι ως επί το πλείστον σε τετράγωνη διατομή, προκύπτει αστοχία λόγω του γεγονότος ότι τα τοιχώματα των κυττάρων των ινών συστρέφονται σε κοιλότητες, όπου δεν μπορούν να προσδιοριστούν προηγουμένως σαφώς εκφρασμένες εγκάρσιες διαστολές. Η αρχή αυτού του λυγισμού συμβαίνει σε σημεία με μικρές δομικές ανωμαλίες, οι οποίες στις περισσότερες περιπτώσεις δεν γίνονται αντιληπτές ούτε από έξω, ή ξεκινά από την άνω ή κάτω συμπιεσμένη επιφάνεια.
Η επιτρεπόμενη πίεση του ξύλου κωνοφόρων — ανεξάρτητα από το αν είναι έλατο, πεύκο ή έλατο — ορίζεται σε 8,5 MPa και για ξύλο λάρυξ σε 9 MPa. Για σκληρό ξύλο, δρυς ή οξιά, είναι 10 MPa.
Γενικά, η πραγματική μέση αντοχή σε θλίψη, τουλάχιστον για τη βελανιδιά, δεν είναι υψηλότερη από αυτή των κωνοφόρων, αλλά αυτή η τιμή εξακολουθεί να δικαιολογείται επειδή το ξύλο σκληρού ξύλου χρησιμοποιείται πρακτικά μόνο σε μικρά κομμάτια στις κατασκευές, επομένως μπορεί να αποφευχθεί ξύλο με μεγαλύτερους κόμπους ή ξύλο με ακανόνιστη ανάπτυξη. Το ξύλο βελανιδιάς είναι υπερεκτιμημένο. Η νεαρή βελανιδιά, ηλικίας έως 30 ετών, φαίνεται να είναι πολύ πιο σκληρή και ισχυρή από το ξύλο μεγαλύτερων δέντρων.
Η κατηγορία ποιότητας Ι επιτρέπει την αντοχή του ξύλου κωνοφόρων έως 11 MPa, για τον λάρικο 11,5 MPa και για τη δρυς και την οξιά 12 MPa. Οι τιμές 6 MPa για το ξύλο κωνοφόρων και 7 MPa για τη βελανιδιά και την οξιά καθορίστηκαν για την κατηγορία ποιότητας III.
Πίεση κάθετη προς την κατεύθυνση της ίνας
Στην κατεύθυνση κάθετη προς τις ίνες, τα φαινόμενα στην αστοχία είναι διαφορετικά από τα φαινόμενα που προκαλούνται από την πίεση προς την κατεύθυνση των ινών. Η αντοχή σε εγκάρσια πίεση εξαρτάται κυρίως από την αντοχή που δείχνει η μη συμπιεσμένη ποσότητα πρώιμου ξύλου στον ετήσιο δακτύλιο. Το όψιμο ξύλο, από το οποίο εξαρτάται η τιμή αντοχής υπό αξονική πίεση, υπό την εγκάρσια πίεση έχει τον ρόλο της κατανομής του φορτίου.
Κατά τη δοκιμή, το χέρι που δείχνει το μέγεθος της δύναμης διατηρεί συνεχώς την υψηλότερη κατειλημμένη θέση του. Στην περίπτωση ενός πλήρως φορτωμένου τμήματος, η αντοχή υπό πίεση κάθετα προς τις ίνες για τα κωνοφόρα ανέρχεται σε1/7να1/10τιμές αντοχής προς την κατεύθυνση των ινών και για σκληρό ξύλο από1/3να1/5τιμές αντοχής στην κατεύθυνση της ίνας.
Αντοχή σε εφελκυσμό
Η αντοχή σε εφελκυσμό δοκιμάστηκε σε πολύ μικρότερο βαθμό από την αντοχή στη θλίψη. Αυτό μπορεί εν μέρει να οφείλεται στο γεγονός ότι η παραγωγή και η δοκιμή κατάλληλων δοκιμίων είναι χρονοβόρα και δαπανηρή.
Η ανωμαλία στη δομή του ξύλου εκδηλώνεται εμφανώς στην αντοχή σε εφελκυσμό. Ανάλογα με την αντοχή υπό πίεση, εκτός από το πλάτος των κορμών, η αναλογία του όψιμου ξύλου είναι κρίσιμης σημασίας. Η αστοχία του πρώιμου ξύλου συμβαίνει πριν από την αστοχία του όψιμου ξύλου, επομένως οι αντοχές του πρώιμου και του όψιμου ξύλου δεν μπορούν να προστεθούν. Η επίδραση των κόμβων και των ανωμαλιών ανάπτυξης είναι πιο έντονη από ό,τι στη θλιπτική αντοχή. Οποιαδήποτε κάμψη ή κύμα που προκαλείται από την εγγύτητα των κόμβων, οι οποίοι δεν χρειάζεται να βρίσκονται στο ραβδί, αρκούν για να μειωθεί η αντοχή στη θραύση στο ένα τέταρτο της αντοχής σε εφελκυσμό του ξύλου χωρίς ελαττώματα.
Τα πιο αδύναμα σημεία των τεντωμένων στοιχείων είναι οι κόμβοι της δομής, όπου η εξασθένηση λόγω των εγκοπών για τους εγκεφάλους είναι η μεγαλύτερη. Εδώ, ειδικά στα μάγουλα, δηλαδή καλτσοδέτες, υπάρχουν πιέσεις λόγω κάμψης που δεν περιλαμβάνει ο υπολογισμός.
Οι επιτρεπόμενες τάσεις για μαλακό ξύλο από την κατηγορία ποιότητας I είναι:10,5 MΛοιπόν, τι γίνεται με το ξύλο βελανιδιάς και οξιάς11 MΛοιπόν. Για τεντωμένα στοιχεία, η χρήση υλικού από την κατηγορία ποιότητας III αποκλείεται.
_Συσκευή για τη δοκιμή της αντοχής σε εφελκυσμό του ξύλου.
Δύναμη κάμψης
Οι υποθέσεις που διέπουν τον τύπο υπολογισμού κάμψης Navier ισχύουν με καλή προσέγγιση και για το ξύλο, αλλά μόνο σε χαμηλά φορτία. Σε υψηλότερο φορτίο, συμβαίνουν τέτοιες μετατοπίσεις ώστε η πραγματική τάση ακμής λόγω πίεσης να είναι μικρότερη από την υπολογιζόμενη, ενώ η αντίθετη εικόνα προκύπτει για την τάση λόγω τάσης. Η πραγματική μηδενική γραμμή μετακινείται στη σφιχτή πλευρά.
Εικόνες1και2— Θραύση του στοιχείου και κατανομή τάσεων κατά την κάμψη.
Η υπολογιζόμενη αντοχή κάμψης στη θραύση είναι μεγαλύτερη από1,4να2φορές η αντοχή σε θλίψη και, με λίγες εξαιρέσεις, είναι μικρότερη από την αντοχή σε εφελκυσμό. Εάν εμφανιστούν κόμβοι και ανωμαλίες κοντά στις μέγιστες ροπές και τις μέγιστες τάσεις των άκρων, συμβαίνουν μειώσεις έως50%.
Θα πρέπει να τονιστεί ότι η αντοχή σε κάμψη υπό μακροχρόνια στατική φόρτιση είναι περίπου η μισή της αντοχής κάμψης που προσδιορίζεται με τον συνήθη τρόπο. Εάν το φορτίο εν όλω ή εν μέρει επαναλαμβάνεται συχνά, η χωρητικότητα φορτίου θα συνεχίσει να μειώνεται ανάλογα με το βαθμό στον οποίο το κινούμενο φορτίο συμβάλλει στο συνολικό φορτίο.
Η επιτρεπόμενη κάμψη για μαλακό ξύλο κατηγορίας ποιότητας III είναι 7 MPa και για τις κατηγορίες ποιότητας II και I καθορίζεται 10 MPa και 13 MPa, αντίστοιχα. Για συνεχή στηρίγματα χωρίς αρμούς από τις δύο τελευταίες κατηγορίες, παρέχονται τάσεις 11 MPa και 14 MPa, επειδή τέτοια στηρίγματα δείχνουν μεγαλύτερη ασφάλεια.
Όταν διαστασιολογούνται δοκοί που εκτίθενται σε κάμψη, σε πολλές περιπτώσεις δεν χρησιμοποιείται η τάση κάμψης, αλλά η επιτρεπόμενη απόκλιση. Για δοκούς κατασκευών ημιώροφου, η παραμόρφωση λόγω μόνιμου ή χρήσιμου φορτίου δεν πρέπει να υπερβαίνει το εύρος 1/300. Για μια ελεύθερα υποστηριζόμενη δοκό φορτισμένη με ισοκατανεμημένο φορτίο, η αναλογία μεταξύ του ανοίγματος και του ύψους πρέπει να είναι το πολύ 16, με επιτρεπόμενη τάση κάμψης 10 MPa.
Για βραχείες δοκούς με μεγάλο φορτίο και σύνθετες διατομές, η διατμητική τάση είναι ζωτικής σημασίας. Το μέτρο ελαστικότητας είναι σημαντικό για την παραμόρφωση, καθώς και για την αντοχή λυγισμού και τον υπολογισμό των στατικά απροσδιόριστων κατασκευών. Το μέγεθος του συντελεστή ελαστικότητας, ανάλογα με την ποιότητα του υλικού, ποικίλλει ευρέως. Ο συντελεστής ελαστικότητας των κωνοφόρων είναι 10.000 MPa, και κάθετα στις ίνες αυτή η τιμή είναι 300 MPa για το ξύλο κωνοφόρων και 600 MPa για το ξύλο βελανιδιάς και οξιάς.
Συσκευή για τη δοκιμή της αντοχής σε κάμψη του ξύλου.
Διατμητική αντοχή
Όταν κουρεύεται, το ξύλο παρουσιάζει χαμηλή αντοχή. Οι τιμές διατμητικής αντοχής μπορεί να διαφέρουν πολύ λόγω ρωγμών ξύλου.
Το ανώτατο όριο του 0,9 MPa καθορίστηκε για κωνοφόρα και των τριών κατηγοριών ποιότητας. Για ξύλο βελανιδιάς και οξιάς ποιότητας II και III, η μέγιστη τιμή είναι 1 MPa, αντίστοιχα 1,2 MPa για την κατηγορία I.
Αν ληφθούν πολύ μικρές προεξοχές για αυτές τις τάσεις, συνιστάται να μην χρησιμοποιούνται οι τάσεις. Όταν οι ακραίες προεξοχές είναι μικρές, υπάρχει μεγάλος κίνδυνος να δημιουργηθούν ρωγμές συρρίκνωσης στο επίπεδο διάτμησης, οι οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε πλήρη απώλεια της φέρουσας ικανότητας.
Συσκευή για δοκιμή αντοχής ξύλου σε διάτμηση.
Αντοχή λυγισμού
Αν οι ράβδοι εκτεθούν σε πίεση, είναι απαραίτητο να ελέγξετε την κάμψη με υπολογισμό. Ιδιαίτερη σημασία έχει η σωστή επιλογή του μήκους κάμψης. Οι ράβδοι πρέπει να στερεώνονται με συνδέσμους έναντι πλευρικών παραμορφώσεων. Εάν αυτό δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί σε επαρκή βαθμό, θα πρέπει να εισαχθεί μεγαλύτερο μήκος κάμψης στον υπολογισμό.
Εικόνες 3 και 4 — Πλήρεις και σύνθετες διατομές με άξονες υλικού και άυλους.
Για σύνθετες πρεσαριστές ράβδους, ο υπολογισμός γίνεται σε σχέση με τον άξονα υλικού, x-άξονας στις εικόνες4και εγώ4b, το ίδιο όπως και για τα πλήρη τμήματα, όπου το πλάτος ολόκληρης της ράβδου λαμβάνεται ως το άθροισμα των πλατών d των επιμέρους στοιχείων.
Για λυγισμό σε σχέση με τον άυλο άξονα, ο άξονας y στις εικόνες4και,4β i4c και x-άξονας στο σχήμα4γ, δεν μπορείτε να βασιστείτε σε έναν τέλειο συνδυασμό μεμονωμένων διατομών, επειδή οι εγκάρσιες συνδέσεις των ξύλινων ραβδιών αποδίδουν. Για διατομή δύο τμημάτων σύμφωνα με την εικόνα4και ισχύουν οι ακόλουθες σχέσεις:
Αρχικοί τύποι για τον υπολογισμό της διμερούς διατομής.
Οι σύνθετες συμπιεσμένες ράβδοι χρησιμοποιούνται γενικά μόνο όπου το απαιτούν οι συνδέσεις, δηλαδή όταν δεν μπορούν να ληφθούν στοιχεία πλήρους διατομής στις απαιτούμενες διαστάσεις. Για να πλησιάσετε όσο το δυνατόν πιο κοντά σε πλήρη τμήματα, συνιστώνται πάντα συνεχείς διαμήκεις συνδέσεις.
Σχετικά θέματα: υποστήριξη ξύλινων κατασκευών, διώροφες κατασκευές, ελαττώματα ξύλου, υγρασία ξύλου και κτήριο.