Fundamentele calculului static
Lemnul este o creație naturală și, datorită structurii sale anatomice, este un material de construcție neomogen. Poate fi comparat cu un mănunchi de tuburi, aranjate individual paralel și inelar în jurul miezului copacului — inele sau inele anuale — care peste tot au secțiuni transversale și grosimi de perete diferite, adică lemn timpuriu și târziu.
Rezistența lemnului depinde de condițiile în care a crescut lemnul și, în mare măsură, acestea sunt afectate de defecte ale lemnului, nereguli de dezvoltare, vârsta lemnului la momentul tăierii și utilizării și mai ales umiditatea acestuia.
Valoarea medie a rezistenței nu este diferită doar pentru copacii individuali din aceeași zonă, dar și pentru același copac scade de la cel mai gros la cel mai subțire capăt. În secțiune transversală, cele mai tinere inele anuale de sub scoarță reprezintă cel mai bun și mai dur lemn. Un expert în silvicultură poate influența proprietățile lemnului doar într-o măsură limitată, în timp ce utilizatorul nu poate modifica proprietățile de rezistență prin mijloace simple.
Forță sub presiune
Presiune în direcția fibrelor
La examinarea eșantioanelor de testare, care sunt în mare parte pătrate în secțiune transversală, eșecul are loc din cauza faptului că pereții celulari ai fibrelor se răsucesc în cavități, unde nu pot fi determinate expansiuni transversale clar exprimate anterior. Începutul acestui flambaj are loc în locuri cu mici nereguli structurale, care în majoritatea cazurilor nici măcar nu pot fi observate din exterior, sau începe de la suprafața presată superioară sau inferioară.
Presiunea admisibilă a lemnului de conifere — indiferent dacă este de molid, pin sau brad — este stabilită la 8,5 MPa, iar pentru lemnul de zada la 9 MPa. Pentru lemn de esență tare, stejar sau fag, este 10 MPa.
În general, rezistența medie efectivă la compresiune, cel puțin la stejar, nu este mai mare decât cea a coniferelor, dar această valoare este totuși justificată deoarece lemnul de esență tare se folosește practic doar în bucăți mici în construcții, astfel încât lemnul cu noduri mai mari sau lemnul cu dezvoltare neregulată poate fi evitat. Lemnul de stejar este supraevaluat. Stejarul tânăr, cu vârsta de până la 30 ani, pare a fi semnificativ mai dur și mai puternic decât lemnul copacilor mai bătrâni.
Clasa de calitate I permite rezistența lemnului de conifere de până la 11 MPa, pentru zada 11,5 MPa și pentru stejar și fag 12 MPa. Cu clasa de calitate III s-au determinat valorile 6 MPa pentru lemn de conifere, și 7 MPa pentru lemn de stejar și fag.
Presiune perpendiculară pe direcția fibrei
În direcția perpendiculară pe fibre, fenomenele la cedare sunt diferite de fenomenele cauzate de presiunea în direcția fibrelor. Rezistența la presiune transversală depinde în principal de rezistența arătată de cantitatea necompactată de lemn timpuriu din inelul anual. Lemnul târziu, de care depinde valoarea rezistenței sub presiune axială, sub presiune transversală are rolul de distribuție a sarcinii.
La testare, mâna care arată magnitudinea forței își menține în mod constant poziția cea mai înaltă ocupată. În cazul unei secțiuni complet încărcate, rezistența la presiune perpendiculară pe fibre pentru conifere este de1/7la1/10valori de rezistență în direcția fibrelor, iar pentru lemn de esență tare din1/3la1/5valori de rezistență în direcția fibrei.
Rezistență la tracțiune
Rezistența la tracțiune a fost testată într-o măsură mult mai mică decât rezistența la compresiune. Acest lucru se poate datora parțial faptului că producția și testarea eșantioanelor de testare adecvate necesită timp și costisitoare.
Neregularitatea în structura lemnului se manifestă în mod evident în rezistența la tracțiune. Analog cu rezistența la presiune, pe lângă lățimea buștenilor, proporția de lemn târzie este de o importanță crucială. Defectarea lemnului timpuriu are loc înainte de deteriorarea lemnului târziu, astfel încât punctele forte ale lemnului timpuriu și târziu nu pot fi adăugate. Influența nodurilor și a neregulilor de dezvoltare este mai pronunțată decât în rezistența la compresiune. Orice îndoire sau undă cauzată de apropierea nodurilor, care nu trebuie să fie pe băț, sunt suficiente pentru a reduce rezistența la rupere la un sfert din rezistența la tracțiune a lemnului fără defecte.
Cele mai slabe puncte ale elementelor tensionate sunt nodurile structurii, unde slăbirea datorată crestăturilor pentru creier este cea mai mare. Aici, în special în obraji, adică jartiere, există tensiuni datorate îndoirii pe care calculul nu le include.
Tensiunile admise pentru lemnul de rasinoase din clasa de calitate I sunt:10,5 MEi bine, ce zici de lemnul de stejar și fag11 MBine. Pentru elementele tensionate, utilizarea materialelor din clasa de calitate III este exclusă.
Aparatură pentru testarea rezistenței la tracțiune a lemnului.
Rezistența la îndoire
Ipotezele care stau la baza formulei de calcul a îndoirii lui Navier se aplică cu o bună aproximare și pentru lemn, dar numai la sarcini mici. La o sarcină mai mare, apar astfel de deplasări încât solicitarea reală pe margine datorată presiunii este mai mică decât cea calculată, în timp ce se obține imaginea opusă pentru solicitarea datorată tensiunii. Linia zero reală se deplasează în partea strânsă.
Imagini1şi2— Ruptura elementului și distribuția tensiunilor la încovoiere.
Rezistența la încovoiere calculată la rupere este mai mare decât1,4la2de ori rezistența la compresiune și, cu puține excepții, este mai mică decât rezistența la tracțiune. Dacă apar noduri și nereguli în apropierea momentelor maxime și solicitărilor maxime de margine, se produc reduceri până la50%.
Trebuie subliniat faptul că rezistența la încovoiere sub încărcare statică pe termen lung este aproximativ jumătate din rezistența la încovoiere care este determinată în mod obișnuit. Dacă sarcina totală sau parțială se repetă frecvent, capacitatea de încărcare va continua să scadă în funcție de măsura în care sarcina în mișcare contribuie la sarcina totală.
Efortul de încovoiere admisibil pentru lemnul moale din clasa de calitate III este 7 MPa, iar pentru clasele de calitate II și I se determină 10 MPa și, respectiv, 13 MPa. Pentru suporturile continue fără îmbinări din ultimele două clase sunt prevăzute solicitări de 11 MPa și 14 MPa, deoarece astfel de suporturi prezintă o siguranță mai mare.
La dimensionarea grinzilor expuse la încovoiere, în multe cazuri nu se folosește efortul de încovoiere, ci deformarea admisă. Pentru grinzile structurilor de mezanin, deformarea datorată sarcinii permanente sau utile nu trebuie să depășească intervalul 1/300. Pentru o grindă susținută liber încărcată cu o sarcină distribuită egal, raportul dintre deschidere și înălțime trebuie să fie de maximum 16, cu o efort de încovoiere admisibil de 10 MPa.
Pentru grinzi scurte, puternic încărcate și secțiuni transversale complexe, efortul de forfecare este de o importanță crucială. Modulul de elasticitate este important pentru deformare, precum și pentru rezistența la flambaj și pentru calculul construcțiilor static nedeterminate. Mărimea modulului de elasticitate, în funcție de calitatea materialului, variază foarte mult. Modulul de elasticitate al coniferelor este 10.000 MPa, iar perpendicular pe fibre această valoare este 300 MPa pentru lemnul de conifere și 600 MPa pentru lemnul de stejar și fag.
Aparat pentru testarea rezistenței la încovoiere a lemnului.
Rezistența la forfecare
La forfecare, lemnul prezintă o rezistență redusă. Valorile rezistenței la forfecare pot varia foarte mult din cauza granulozității lemnului.
Limita superioară a0,9 MEi bine, pentru rasinoase, toate cele trei clase de calitate. Pentru lemnul de stejar si fag de calitatea II si III, valoarea maxima este1 MEi bine, asta este1,2 MDeci pentru clasa I.
Dacă pentru aceste tensiuni se obțin contopiri prea scurte, se recomandă să nu se utilizeze tensiunile. Atunci când conversiunile de capăt sunt scurte, există un mare pericol de a se forma fisuri de contracție în planul de forfecare, ceea ce poate duce la o pierdere completă a capacității portante.
Aparatură pentru testarea rezistenței la forfecare a lemnului.
Rezistența la flambaj
Dacă tijele sunt expuse la presiune, este necesar să se verifice deformarea prin calcul. O importanță deosebită este alegerea corectă a lungimii de îndoire. Tijele trebuie să fie asigurate cu cuplaje împotriva deformărilor laterale. Dacă acest lucru nu poate fi realizat într-o măsură suficientă, în calcul trebuie introdusă o lungime de flambaj mai mare.
Imagini3şi4— Secțiuni transversale complete și complexe cu axe materiale și imateriale.
Pentru tijele presate complexe, calculul se face in raport cu axa materialului, axa x din poze4si eu4b, la fel ca pentru secțiunile întregi, în care lățimea întregii tije este luată ca sumă a lățimilor d ale elementelor individuale.
Pentru flambaj în raport cu axa imaterială, axa y din imagini4şi,4b i4c și x-axa din figură4c, nu te poți baza pe o combinație perfectă de secțiuni transversale individuale, deoarece conexiunile transversale ale bastoanelor de lemn sunt cedante. Pentru o secțiune transversală din două părți conform imaginii4și se aplică următoarele relații:
Formule originale pentru calculul secțiunii transversale din două părți.
Tijele presate compuse sunt utilizate în general numai acolo unde conexiunile o cer, adică atunci când nu se pot obține elemente cu secțiune completă la dimensiunile necesare. Pentru a ajunge cât mai aproape de secțiuni complete, se recomandă întotdeauna conexiuni longitudinale continue.
Subiecte înrudite: suport structuri din lemn, construcții interetajate, defecte de lemn, umiditatea lemnului și cladire.