Osnove statičnega izračuna
Les je naravna tvorba in je zaradi svoje anatomske zgradbe nehomogen gradbeni material. Lahko ga primerjamo s snopom cevi, posamično razporejenih vzporedno in obročasto okoli jedra drevesa — letnih obročev ali obročev —, ki imajo povsod različne prereze in debeline stene, torej zgodnji in pozni les.
Trdnost lesa je odvisna od pogojev, v katerih je les rasel, v veliki meri pa nanje vplivajo napake lesa, nepravilnosti v razvoju, starost lesa v času poseka in uporabe ter predvsem njegova vlažnost.
Povprečna vrednost trdnosti ni le različna za posamezna drevesa z istega območja, temveč se za isto drevo zmanjšuje od najdebelejšega proti najtanjšemu koncu. V prerezu predstavljajo najmlajši letni obročki pod lubjem najboljši in najtrši les. Gozdarski strokovnjak lahko le v omejenem obsegu vpliva na lastnosti lesa, medtem ko uporabnik s preprostimi sredstvi težko spremeni trdnostne lastnosti.
Tlačna trdnost
Pritisk v smeri vlaken
Pri pregledu preizkušancev, ki so večinoma kvadratnega prereza, pride do okvare zaradi tega, ker se celične stene vlaken zvijejo v votline, kjer ni mogoče ugotoviti predhodno jasno izraženih prečnih raztezkov. Začetek tega upogibanja se pojavi na mestih z majhnimi strukturnimi nepravilnostmi, ki jih v večini primerov niti ni mogoče opaziti od zunaj, ali pa se začne na zgornji ali spodnji pritisnjeni površini.
Dovoljen tlak lesa iglavcev — ne glede na to ali gre za smreko, bor ali jelko — je določen na 8,5 MPa, za les macesna pa na 9 MPa. Za trdi les, hrast ali bukev je 10 MPa.
Dejanska povprečna tlačna trdnost, vsaj pri hrastu, v splošnem ni višja od tiste pri iglavcih, vendar je ta vrednost še vedno upravičena, saj se les listavcev v konstrukcijah praktično uporablja le v majhnih kosih, tako da se lahko izognemo lesu z večjimi grčami ali lesu z nepravilno razvitostjo. Hrastov les je precenjen. Mlad hrast, star do 30 let, se zdi bistveno trši in močnejši od lesa starejših dreves.
Kakovostni razred I omogoča trdnost lesa iglavcev do 11 MPa, za macesen 11,5 MPa, za hrast in bukev pa 12 MPa. Pri kakovostnem razredu III so bile določene vrednosti 6 MPa za les iglavcev in 7 MPa za hrast in bukov les.
Pritisk pravokoten na smer vlaken
V smeri, ki je pravokotna na vlakna, se pojavi ob odpovedi razlikujejo od pojavov, ki jih povzroči pritisk v smeri vlaken. Trdnost pod prečnim pritiskom je odvisna predvsem od trdnosti, ki jo kaže nezbita količina zgodnjega lesa v letnem obroču. Pozni les, od katerega je odvisna vrednost trdnosti pri aksialnem pritisku, ima pri prečnem pritisku vlogo porazdelitve obremenitve.
Pri pregledu roke, ki kaže velikost sile, nenehno ohranja svoj najvišji zasedeni položaj. V primeru polno obremenjenega odseka znaša trdnost pod pritiskom pravokotno na vlakna za iglavce od 1/7 do 1/10 vrednosti trdnosti v smeri vlaken, za trdi les pa od 1/3 do 1/5 vrednosti trdnosti v smeri vlaken.
Natezna trdnost
Natezna trdnost je bila testirana v veliko manjšem obsegu kot tlačna trdnost. To je lahko deloma posledica dejstva, da je proizvodnja in testiranje ustreznih preskusnih vzorcev dolgotrajna in draga.
Nepravilnost v strukturi lesa se vidno pokaže na natezni trdnosti. Podobno kot trdnost na pritisk je poleg širine hlodovine odločilnega pomena delež poznega lesa. Porušitev zgodnjega lesa se zgodi pred porušitvijo poznega lesa, zato trdnosti zgodnjega in poznega lesa ne moremo seštevati. Vpliv grč in razvojnih nepravilnosti je izrazitejši kot pri tlačni trdnosti. Vsak upogib ali valovanje, ki nastane zaradi bližine grč, za katere ni nujno, da se nahajajo na palici, je dovolj, da se pretrgna trdnost zmanjša na četrtino natezne trdnosti lesa brez napak.
Najšibkejša mesta napetih elementov so vozlišča konstrukcije, kjer je oslabitev zaradi zarez za možgane največja. Tu so predvsem v ličnicah, torej podvezicah, napetosti zaradi upogiba, ki jih izračun ne upošteva.
Dovoljene napetosti za les iglavcev iz kakovostnega razreda I so 10,5 MPa, za les hrasta in bukve pa 11 MPa. Za napete elemente je izključena uporaba materialov iz kakovostnega razreda III.
Aparat za testiranje natezne trdnosti lesa.
Upogibna trdnost
Predpostavke, na katerih temelji Navierjev obrazec za izračun upogiba, veljajo z dobrim približkom tudi za les, vendar le pri nizkih obremenitvah. Pri večji obremenitvi pride do takšnih pomikov, da je dejanska robna napetost zaradi tlaka nižja od izračunane, nasprotno pa dobimo pri napetosti zaradi napetosti. Dejanska ničelna črta se premakne na ozko stran.
Slike 1 in 2 — Zlom elementa in porazdelitev napetosti med upogibanjem.
Izračunana upogibna trdnost pri porušitvi je 1,4 do 2-kratnik tlačne trdnosti in je z nekaj izjemami manjša od natezne trdnosti. Če se vozli in nepravilnosti pojavijo blizu največjih momentov in največjih robnih napetosti, pride do zmanjšanja do 50%.
Treba je poudariti, da je upogibna trdnost pri dolgotrajni statični obremenitvi približno polovica upogibne trdnosti, ki se določi na običajen način. Če se obremenitev v celoti ali delno pogosto ponavlja, se bo nosilnost še naprej zmanjševala glede na obseg, v katerem gibljiva obremenitev prispeva k skupni obremenitvi.
Dovoljena upogibna napetost za les iglavcev III. kakovostnega razreda je 7 MPa, za II. in I. kakovostni razred pa je določena 10 MPa oziroma 13 MPa. Za neprekinjene nosilce brez spojev iz zadnjih dveh razredov so predvidene napetosti 11 MPa in 14 MPa, ker takšni nosilci kažejo večjo varnost.
Pri dimenzioniranju nosilcev, ki so izpostavljeni upogibu, se v mnogih primerih ne uporablja upogibna napetost, temveč dopustni upogib. Pri nosilcih medetažnih konstrukcij upogib zaradi stalne ali uporabne obremenitve ne sme presegati območja 1/300. Za prosto podprt nosilec, obremenjen z enakomerno porazdeljeno obremenitvijo, mora biti razmerje med razponom in višino največ 16, z dovoljeno upogibno napetostjo 10 MPa.
Za kratke, močno obremenjene tramove in zapletene prereze je strižna napetost ključnega pomena. Modul elastičnosti je pomemben za upogib, pa tudi za uklonsko trdnost in izračun statično nedoločenih konstrukcij. Velikost modula elastičnosti se glede na kakovost materiala zelo razlikuje. Modul elastičnosti iglavcev je 10.000 MPa, pravokotno na vlakna pa je ta vrednost 300 MPa za les iglavcev in 600 MPa za hrast in bukov les.
Aparat za testiranje upogibne trdnosti lesa.
Strižna trdnost
Pri striženju les kaže nizko trdnost. Vrednosti strižne trdnosti se lahko zelo razlikujejo zaradi razpokanosti lesa.
Zgornja meja 0,9 MPa je bila določena za iglavce vseh treh kakovostnih razredov. Za hrastov in bukov les kakovosti II in III je največja vrednost 1 MPa oziroma 1,2 MPa za razred I.
Če so za te napetosti doseženi prekratki previsi, je priporočljivo, da se napetosti ne uporabljajo. Pri kratkih končnih previsih obstaja velika nevarnost nastanka krčnih razpok v strižni ravnini, kar lahko privede do popolne izgube nosilnosti.
Aparat za testiranje strižne trdnosti lesa.
Upogibna trdnost
Če so palice izpostavljene pritisku, je potrebno računsko preveriti upogib. Posebej pomembna je pravilna izbira dolžine upogiba. Palice morajo biti zavarovane s spojkami proti bočnim odklonom. Če tega ni mogoče izvesti v zadostni meri, je treba v izračun vnesti večjo upogibno dolžino.
Sliki 3 in 4 — Celotni in sestavljeni prerezi z materialnimi in nematerialnimi osmi.
Za kompleksne stiskane palice se izračun izvaja glede na materialno os, x-os na slikah 4a in 4b, enako kot pri polnih profilih, kjer je širina celotne palice vzeta kot vsota širin d posameznih elementov.
Za uklon glede na nematerialno os, y-os na slikah 4a, 4b in 4c ter x-os na sliki 4c, ni mogoče računati na popolno sestavo posameznih prerezov, ker prečni povezave lesenih palic popustijo. Za dvodelni prerez po sliki 4a veljajo razmerja:
Originalne formule za izračun dvodelnega prereza.
Sestavljene stisnjene palice se na splošno uporabljajo samo tam, kjer povezave to zahtevajo, tj. kadar elementov polnega preseka v zahtevanih dimenzijah ni mogoče dobiti. Da bi se čim bolj približali polnim odsekom, so vedno priporočljive neprekinjene vzdolžne povezave.
Sorodne teme: nosilne lesene konstrukcije, medetažne konstrukcije, lesne napake, vlažnost lesa in les.