Mechanické vlastnosti dreva Namáhanie dreva, základné mechanické vlastnosti, zisťovanie mechanických vlastností dreva pri rôznych spôsoboch zaťaženia, faktory vplývajúce na mechanické vlastnosti, hodnotenie kvality dreva, výpočtová pevnosť, aplikácia mechanických vlastností v technológiách,...
Namáhanie dreva Mechanické namáhanie dreva, základné mechanické vlastnosti (pevnosť, pružnosť, plastickosť, húževnatosť), napätia, deformácie, jednoosový a viacosový stav napätosti, napäťovo-deformačný diagram, napäťové a deformačné charakteristiky,...
Mechanické namáhanie Namáhanie proces, pri ktorom dochádza k interakcii medzi silami a činiteľmi namáhania a namáhaným objektom. Podľa fyzikálnej podstaty síl a činiteľov namáhanie môže byť mechanické, vlhkostné, tepelné, namáhanie žiarením, chemické, ako aj ich kombinácie. Výsledkom tohto procesu sú dočasné (vratné) a trvalé (nevratné) zmeny stavu namáhaného objektu.
Mechanické namáhanie dreva Pri mechanickom namáhaní pôsobia na drevo vonkajšie mechanické sily, ktoré ho pružne alebo pružno-viskózno-plasticky deformujú v závislosti od miery vnútorného odporu materiálu. Reakcia dreva na mechanické správanie bude závisieť od vnútornej stavby (štruktúra) a od geometrie telesa. Drevo Interakcia Mech. sila Mechanické namáhanie popisujeme pomocou základných mechanických vlastností
Mechanické namáhanie dreva Vlhkostné, tepelné a chemické namáhanie zas zmenami týchto vlastností Mechanické zaťaženie Drevo Voda Teplo
Napätie a deformácia Napätie v namáhanom telese predstavuje mieru vnútorných síl, ktoré vznikajú v telese ako výsledok pružnej deformácie vyvolanej vonkajšími silami. Definujeme ho ako veľkosť vnútornej sily vztiahnutej na jednotkovú plochu. Vzhľadom na smer pôsobenia zaťažujúcich síl k namáhanej ploche rozlišujeme napätie: normálové zaťažujúca sila F pôsobí kolmo na plochu S tangenciálne (šmykové) zaťažujúca sila F pôsobí rovnobežne s plochou S σ = F S τ = F S
Napätie a deformácia Deformácia zmena rozmerov a tvaru telesa vyvolaná pôsobením napätia. absolútna deformácia l = l l relatívna deformácia ε = l/l Po kvalitatívnej stránke delíme deformácie na: pružné okamžité (elastické) po prerušení pôsobenia vonkajších zaťažujúcich síl teleso okamžite nadobúda pôvodné rozmery a tvar, pružné v čase (viskoelastické) po prerušení pôsobenia vonkajších zaťažujúcich síl teleso nadobudne pôvodné rozmery a tvar za určitý čas, trvalé (plastické) po prerušení pôsobenia vonkajších zaťažujúcich síl teleso zostane trvalo zdeformované.
Napäťovo-deformačné diagramy charakterizujú priebeh odporu skúšaného materiálu proti deformácii a porušeniu Obr. 1a e Fiktívne modely napäťovo-deformačných diagramov A fiktívny, ideálne tuhý materiál; B fiktívny, ideálne plastický materiál; C line- árne elastický materiál; D lineárne elastické a ideálne plastické správanie sa materiálu bez deformačného spevnenia; E materiál s lineárne elastickou oblasťou a lineárne plastickým deformačným spevnením; F reálny diagram
Jednofázový napäťovo-deformačný diagram dreva Reálny napäťovodeformačný diagram dreva (elasticko-viskóznoplastický materiál) σ = E ε Pracovný (zaťažovací)diagram F I
Trojfázový napäťovo-deformačný diagram dreva V tlaku kolmo na vlákna v radiálnom a tangenciálnom smere
Základné mechanické vlastnosti Reakciu tuhého telesa na mechanické namáhanie kvalitatívne a kvantitatívne vyjadrujeme prostredníctvom mechanických vlastností. Základné mechanické vlastnosti pevnosť pružnosť plastickosť húževnatosť
Základné mechanické vlastnosti Pevnosť - odpor resp. odolnosť materiálu proti trvalému porušeniu súdržnosti jeho častíc. Kvantifikuje sa medzou pevnosti.
Základné mechanické vlastnosti Pružnosť (elasticita) - schopnosť materiálu pred porušením sa pružne deformovať. Vo fyzikálnej podstate pružnosť je zmena stavu materiálu, ktorá nastáva pri pôsobení mechanických síl a ktorá sa navonok prejavuje deformáciou jeho objemu. Je to proces vratný. Kvantifikuje sa medzou úmernosti, modulom pružnosti, pružnou deformáciou a energiou pružnej deformácie.
Základné mechanické vlastnosti Plastickosť - schopnosť materiálu pôsobením vonkajších síl meniť v tuhom stave trvale svoj tvar bez porušenia, to znamená pred porušením sa plasticky deformovať. Mierou plastickosti pri mechanickom namáhaní je plastická deformácia. Fyzikálna podstata plastickosti bude pre rôzne materiály (drevo, kovy, makromolekulové termoplasty) odlišná.
Základné mechanické vlastnosti Plastickosť má význam pri technologickom spracúvaní dreva tvárnením. V tomto prípade je potrebné konkretizovať plastickosť na podmienky tvárnenia a definuje sa ako tvárniteľnosť. Tvárniteľnosť pri ohýbaní sa nazýva ohýbateľnosť, pri lisovaní stlačiteľnosť a pri ťahaní ťažnosť a budeme ju chápať ako deformačnú schopnosť tohto materiálu.
Základné mechanické vlastnosti Húževnatosť - mechanická energia, ktorá sa spotrebuje na plastickú deformáciu materiálu. Za opak húževnatosti sa považuje krehkosť. Krehké drevo sa pred porušením plasticky deformuje len nepatrne a preto má malú húževnatosť. U krehkých materiálov dislokácie majú malú pohyblivosť a malú manévrovateľnosť. Keďže sa krehké materiály plasticky nedeformujú, tak sú aj neplastické. Naproti tomu húževnaté materiály majú dobrú pevnosť aj plastickosť. Teda krehkosť nevystihuje dokonale opak húževnatosti.
Stav napätosti Stav napätosti vyjadruje počet, druhy a priebeh napätí v objeme telesa a ich vzájomné interakcie. Podľa počtu pôsobiacich hlavných napätí stav napätosti môže byť: jednoosový viacosový Predpoklady uvedené úvahy platia pre pružnú oblasť Hookov zákon σ = E ε pre ťah platí ε > 0, σ > 0 pre tlak platí ε < 0, σ < 0 platí zákon suprepozície
Jednoosový stav napätosti Jednoosový stav napätosti na teleso pôsobí len jedno hlavné napätie (ostatné napätia sú nulové)
Jednoosový stav napätosti Hlavné normálové napätie v priereze S 0 : F σ = S 0 V priereze S, s ktorou sila F zviera uhol α, pre normálové a šmykové napätia platí: σ = F n S = F cosα S 0 cosα = σ 0 cos 2 α F t F sinα 1 τ = = = σ 0 sinα cosα = σ 0 sin 2α S S0 2 cosα
Jednoosový stav napätosti Deformovanie telesa V smere pôsobiacej sily l = l 0 + u 1 Kolmo na smer pôsobiacej sily b = b u 0 Pomerná deformácia 2 ε ε 1 2 u = l0 u = b 1 0 2 Poisssonovo číslo µ = ε ε 2 1
Jednoosový stav napätosti Deformácie dreva pri tlakovom zaťažení z pohľadu ortogonálnej anizotropie
Viacosový stav napätosti Poissonove čísla v prípade zaťaženia v smere vlákien na ťah L RL R L R RL ε µ ε ε ε µ = = L TL T L T TL ε µ ε ε ε µ = = L L L L E σ ε 1 = R R LR R L E σ µ ε = T T LT T L E σ µ ε = L L RL L R E σ µ ε = R R R R E σ ε 1 = T T RT T R E σ µ ε = Ak A je symetrická potom Aij = Aji L L TL L T E σ µ ε = R R TR R T E σ µ ε = T T T T E σ ε 1 = E E σ ε ε σ = =
Všeobecný Hookov zákon
Moduly pružnosti a Poissonove čísla Youngove moduly pružnosti E a šmykové moduly pružnosti G vybratých drevín pri vlhkosti w DREVINA E L E T E R G LR G LT G RT w MPa % BOROVICA 10 620 580 1 120 1 780 680 70 9,7 DUGLASKA 11 120 800 1 010 900 900 90 11-13 SMREK 9 290 650 830 640 870 40 12 BREZA 16 670 630 1 130 1 200 930 190 8,8 BUK 14 010 1 160 2 280 1 640 1 080 470 10,5 DUB 13 000 990 2 190 1 320 780 400 11,6 JASEŇ 15 290 990 1 670 880 620 250 14 JAVOR 9 580 570 1 140 890 650 220 12 TOPOĽ 6 300 380 840 650 470 150 12
Moduly pružnosti a Poissonove čísla Poissonove čísla DREVINA µ RL µ TL µ LR µ TR µ LT µ RT IHLIČNANY 0,37 0,42 0,041 0,47 0,033 0,35 LISTNÁČE 0,37 0,50 0,044 0,67 0,027 0,33 Poznámka: µrl - prvý index (R) predstavuje pasívnu deformáciu (kolmo na smer pôsobenia sily), druhý (L) aktívnu (v smere pôsobenia sily)
Rozdelenie skúšok mechanických vlastností Podľa stavu napätosti skúšky pri jednoosovom stave napätosti skúšky pri viacosovom stave napätosti
Rozdelenie skúšok mechanických vlastností Podľa trvania záťaže Trieda trvania zaťaženia Rozsah trvania zaťaženia Príklady zaťaženia Stále nad 10 rokov Vlastná hmotnosť Dlhodobé 6 mesiacov až 10 rokov Strednodobé 1 týždeň až 6 mesiacov Skladové zaťaženie Krátkodobé Pod 1 týždeň Sneh, vietor Okamžité statické dynamické (kmitavé) Užitkové zaťaženie, sneh Veľmi krátkodobé zaťaženie
Rozdelenie skúšok mechanických vlastností Podľa spôsobu zaťaženia tlak ťah vzper šmyk krut ohyb špeciálne zaťaženia Vo všetkých prípadoch sa mechanické vlastnosti zisťujú rovnobežne s vláknami a kolmo na vlákna v radiálnom a tangenciálnom smere. Vždy je potrebné zohľadniť vlhkosť dreva.
Rozdelenie skúšok mechanických vlastností Podľa účinku zaťaženia deštruktívne teleso sa trvalo deformuje, alebo poruší nedeštruktívne nedôjde k trvalej zmene stavu telesa
Zisťovanie základných mechanických vlastností dreva pri rôznych spôsoboch zaťaženia Tlak, ťah, vzper, šmyk, krut, ohyb,...
Zaťaženie v tlaku Sila pôsobí kolmo na plochu v osi telesa a je orientovaná tak, že dochádza k stláčaniu telesa. Tri prípady zaťaženia dreva v tlaku: v smere vlákien, tlak kolmo na vlákna v tangenciálnom smere tlak kolmo na vlákna v radiálnom smere
Napäťové charakteristiky v tlaku smere vlákien Medza pevnosti (40 80 MPa) σ tl, w = F ab max Medza úmernosti (70 90 % z medze pevnosti) σ u = Fu S Modul pružnosti (10 000 MPa) E = F l S l
Napäťové charakteristiky v tlaku kolmo na vlákna Konvenčná medza pevnosti (3 15 MPa)
Zaťaženie v ťahu Sila pôsobí kolmo na plochu v osi telesa a je orientovaná tak, že dochádza k rozťahovaniu telesa. Tri prípady zaťaženia: ťah v smere vlákien (120 MPa) ťah kolmo na vlákna v tangenciálnom smere (3 10) ťah kolmo na vlákna v radiálnom smere (3 14)
Zaťaženie v ťahu
Zaťaženie v ťahu Zisťovanie pevnosti v ťahu drevných materiálov
Vzper Popri ohybe jedným z najčastejšie sa vyskytujúcim zaťažením konštrukčných prvkov je vzper. Pre konštrukčný prvok namáhaný na vzper je všeobecne dôležité, aby nedošlo k jeho vybočeniu, t.j. ku strate stability. Stabilita prúta namáhaného na vzper je významne ovplyvnená celým radom činiteľov štíhlostný pomer, spôsob uloženia koncov prútov, mechanické vlastnosti prvku, počiatočné zakrivenie, tvar priečneho prierezu, excentricita zaťaženia, atď. V prípade dreva je však potrebné uvažovať i s ďalšími činiteľmi heterogenita štruktúry a vlastností po priereze prvku, vnútorná napätosť, vlhkosť, atď., ktoré môžu významne ovplyvniť správanie sa týchto prvkov pri danom spôsobe zaťaženia.
Vzper Keď hovoríme o vzpere, máme na mysli štíhle prúty zaťažené na tlak silou pôsobiacou centricky (sila pôsobí v ose prúta), alebo silou pôsobiacou excentricky (sila pôsobí v určitej vzdialenosti od osi prúta). x x x e e B v 0 a l/2 v l/2 l l l l l v l v 0 e e y 0 y 0 y
Vzper centricky zaťažený ideálny prút a ideálny prút pri osovom tlaku, b prehnutý ideálny prút v indiferentnej rovnováhe, c zmenšenie sily F zohnutého ideálneho prúta a jeho následné vyrovnanie, d zväčšenie sily F zohnutého ideálneho prúta a následné vybočovanie
Vzper oblasti vzperu σp Tlaková pevnosť Eulerova krivka Oblasť vzperu sa delí na: oblasť dlhých prútov, oblasť stredne dlhých prútov, oblasť krátkych prútov. Napätie σ σ ú I. II. III. Krátke prúty Stredné prúty Dlhé prúty λ 1 λ 2 Štíhlostný pomer λ
Vzper dlhé prúty prúty, u ktorých nastáva strata stability vybočením v pružnej oblasti (maximálne napätie neprekročí medzu úmernosti v tlaku) platí Eulerova teória σ kr = Cπ λ 2 2 E L λ = l i I T = S i 2 C konštanta závislá na spôsobe uloženia koncov prúta, E modul pružnosti, λ štíhlostný pomer
Vzper dlhé prúty x v δ B x B x C = 1 x l 0 0 y µl=2l l v v x C = 0,25 A y A y A y
Vzper dlhé prúty x x l v µl=0,7l l µl=0,5l 0 y C = 2 C = 4 0 y
Vzper stredne dlhé prúty teória tangenciálneho modulu teória redukovaného modulu Tetmayerova rovnica Johnsonova rovnica 2 2 λ π σ t kr E = Newlin-Gahaganova rovnica rovnica Yoshiharu a kol Schwarz-Rankinova rovnica. 2 2 λ π σ r kr E = ( ) λ σ σ 1 1 k p kr = 2 2 1 = π λ σ σ σ p p kr CE = ú p ú M p ú p kr σ σ σ λ λ σ σ σ σ 2 1 1 = L E E M p ú p kr sec 2 1 1 λ λ σ σ σ σ 2 1 βλ σ σ + = p kr
Vzper krátke prúty prúty, u ktorých je kritické napätie totožné s medzou pevnosti v tlaku σ max = F max S
Vzper príklady SM kĺbové uloženie 45 45 Kritické napätie [MPa] σ kr 40 35 30 25 20 15 10 Experimentálne hodnoty Euler (C=2) Tetmayer Newlin-Gahagan Tangenciálny modul Yoshihara a kol. Johnson Kritické napätie σkr [MPa] 40 35 30 25 20 15 10 Experimentálne hodnoty Rankine - Gordonova rovnica (C=2) 5 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Stíhlostný pomer λ 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Stíhlostný pomer λ
Vzper príklady KRIT. NAPÄTIE σ kr [MPa] 60 50 40 30 20 10 Preglejka 0 λ M λ M 0 100 200 300 400 ŠTÍHLOSTNÝ POMER λ 20 KRIT. NAPÄTIE σ kr [MPa] 15 10 5 DTD 0 0 λ M 40 80 λ M 120 160 200 ŠTÍHLOSTNÝ POMER λ
Šmyk Sily pôsobia proti sebe ale sú posunuté, deformácia telesa sa prejavuje posunutím vrstiev
Šmyk Tri prípady zaťaženia s výskytom šmyku: čistý šmyk šmyk pri tlaku krut pri ohybe
Pevnosť v šmyku Pri zaťažení v šmyku okrem troch základných smerov zohľadňujeme aj rovinu porušenia šesť prípadov šmykového namáhania:
Pevnosť v šmyku τ pš = F max S τ pš = F max 2S (5 15 MPa) (1 10 MPa) (15 60 MPa)
Pevnosť v šmyku strih τ pš = F max 2S
Pevnosť v šmyku pri zaťažení tlakom τ pš F = S max 2
Pevnosť v šmyku preglejovaných materiálov
Horizontálny šmyk Fmax τ pš = ah 2 τ pš Fmax = ah 2
Zaťaženie v krute namáhanie kde dvojica síl pôsobiaca v rovine kolmej na priebeh vlákien vyvoláva krútiaci moment τ k = M W k k W k = α b 2 h Ak... b = h = a... potom... α = 0,208 τ k = M k 0,208 a 3 τ k = 4,8 M k 3 a
Zaťaženie v ohybe Čistý ohyb Namáhanie v ohybe vzniká v priereze telesa zaťaženého dvojicou síl pôsobiacich v rovine prechádzajúcej pozdĺžnou osou telesa. Je to kombinácia ťahového a tlakového namáhania.
Zaťaženie v ohybe Vzniknutý ohybový moment spôsobuje priehyb telesa v jednej polovici prierezu vzniká tlak a v druhej ťah Medzi týmito dvomi oblasťami namáhania je neutrálna vrstva. Ak sú moduly pružnosti v tlaku a v ťahu rovnaké, neutrálna os je totožná s geometrickou osou telesa.
Spôsoby zaťaženia v ohybe Najčastejšie prípady pôsobenia síl pri ktorých sa skúša ohyb Ohyb votknutého telesa Trojbodový ohyb Štvorbodový ohyb
Spôsoby zaťaženia v jednoduchom ohybe Vzhľadom na anizotropiu dreva a na smer pôsobiacej vonkajšej sily
Napätie v ohybe Napätie σ oh = M W 3Fl potom σ o oh = 2 2bh Ohybový moment F l 0 Fl M = = 0 2 2 4 Prierezový modul W = bh 6 2
Napätie v ohybe Napätie σ oh = M W potom σ oh = Fl o 2 bh Ohybový moment F l o Fl M = = o 2 3 6 Prierezový modul W = bh 6 2
Modul pružnosti v ohybe vychádzame z diferenciálnej rovnice ohybovej čiary d 2 dx y 2 = M E I pri trojbodovom zaťažení 3 Fu l0 E = 48 I y ak I b = 12 3 h E 3 o oh, w = 3 Fl 4bh y
Experimentálne zisťovanie napäťových charakteristík
Zisťovanie mechanických vlastností dreva pri špeciálnych spôsoboch zaťaženia Rázová húževnatosť v ohybe, tvrdosť štiepateľnosť, odpor proti vytiahnutiu klincov a skrutiek z dreva, odpor proti pretiahnutiu hlavičky klinca, pretláčanie, odolnosť voči oderu,...
Rázová húževnatosť v ohybe Definuje sa ako práca, ktorá sa spotrebuje na zlomenie skúšobného telesa pri daných podmienkach skúšky.. Charakterizuje schopnosť materiálu odolávať rázovým (dynamickým) zaťaženiam a vyjadruje odolnosť proti vzniku krehkého lomu Skúška sa realizuje pomocou prerážacieho kladiva (Carppyho kladivo)
Princíp skúšky rázovej húževnatosti v ohybe Počíta sa podľa rovnice Q W = [ ] 2 J cm b. h W = W = E p E mgh, 1 p,2 o mgh = mg ( h ) 2 o h 2
Tvrdosť Tvrdosť sa všeobecne definuje ako odpor, ktorý kladie skúšaný materiál proti vnikaniu cudzieho telesa do jeho štruktúry. Tvrdosť materiálu je jeho odolnosť proti sile, pôsobiacej prostredníctvom normalizovaného skúšobného telesa pod takým uhlom, aby vyvolala trvalú deformáciu na jednotku dĺžky. Tvrdosť sa definuje ako sila potrebnú na prekonanie odporu materiálu a vyvolanie trvalej deformácie. Tvrdosť je schopnosť skúšaného telesa odolávať skúšobnému telesu, ktoré pôsobí na materiál tak, že zanecháva v ňom stopu trvalej deformácie. Tvrdosť je mechanická vlastnosť materiálu vyjadrená odporom proti deformácii jeho povrchu vyvolanej pôsobením geometricky definovaného telesa. Uvedené definície sú veľmi podobné. Väčšinou sú nejednoznačné, pretože nekvantifikujú tvrdosť.
Tvrdosť Tvrdosť sa posudzuje buď podľa deformácie za pôsobenia stálej sily alebo podľa sily pri rovnakej deformácii materiálu. Na určenie tvrdosti materiálu sa používajú rôzne skúšky tvrdosti. Hodnoty tvrdosti, ktoré sme získali jednou metódou, nemôžeme porovnávať s hodnotami získanými inou metódou. Metódy na zisťovanie tvrdosti boli rozdelené do štyroch základných skupín : vrypová metóda vtláčacia metóda odrazová metóda kyvadlová metóda. Podľa druhu a veľkosti použitej sily, delíme skúšky tvrdosti na: statické dynamické.
Tvrdosť skúška tvrdosti vrypom Skúška tvrdosti vrypom patrí k najstarším skúškam. Jej princíp je prevzatý z mineralógie, kde pre klasifikáciu tvrdosti sa používa Mohsova stupnica. Je založená na tom, že tvrdšie teleso zanecháva vryp na mäkšom telese Táto stupnica obsahuje 10 stupňov tvrdosti, ktoré boli určené pomocou 10 minerálov. V drevárskom výskume sa táto metóda využíva na zisťovanie tvrdosti tuhých náterových filmov. Miesto minerálov sa používajú tuhy rôznej tvrdosti. Jedná sa len o kvalitatívne hodnotenie tvrdosti. Preto bola snaha získať kvantitatívne údaje.
Tvrdosť vtláčacie metódy Vtláčacie metódy sa zakladajú na princípe vtláčania presne definovaného telesa (gulôčky, kužeľa, ihlanu, atď.) z kalenej ocele, tvrdého kovu alebo z diamantu do skúšaného materiálu. Meradlom tvrdosti je veľkosť vzniknutého odtlačku. Najpoužívanejšie a najznámejšie sú Brinellova, Rockwellova a Vickersova a Jankova metóda.
Tvrdosť vtláčacie metódy Brinellova metóda Princíp metódy spočíva vo vtláčaní oceľovej guľôčky o danom priemere konštantnou silou F. Pri zisťovaní tvrdosti drevín touto metódou sa používa guľôčka o priemere D = 10 mm, ktorá sa vtláča do dreva silou 1000 N u tvrdých drevín, 500 N u stredne tvrdých drevín a 100 N u mäkkých drevín. Po dosiahnutí predpísaného zaťaženia sa teleso odťaží a meria sa priemer otlačku d pomocou Brinellovej lupy. H B = 2F 2 2 ( ) πd D D d
Tvrdosť vtláčacie metódy Jankova metóda Tlačidlo zakončené pologuľou s priemerom 11,284 mm vtláčame do dreva pričom meriame hĺbku vniknutia guľôčky do dreva. F F F H J = S = r = 2 2 π π ( 2Rh h ) V prípade dreva norma (STN 49 0136) predpisuje vtláčanie guľôčky do hĺbky jej polomeru (r = R = 5,64 mm). Potom plocha odtlačku je 100 mm2. V prípade menších telies norma pripúšťa hĺbku vtlačenia 2,82 mm F F H J = = πr 2 100 F H J = 4 3πR 2
Tvrdosť vtláčacie metódy Jankova metóda
Tvrdosť experimentálne hodnoty Tvdosť vybraných drevín kolmo na vlákna podľa Brinellovej a Jankovej metódy Drevina HB [MPa] HJ [MPa] Buk 34 65 Dub 34 41 65 Jaseň 41 40 61 Breza 22 49 56 Smrekovec 19 37
Tvrdosť experimentálne hodnoty Hodnoty Jankovej tvrdosti vybraných drevín pre dve hĺbky zatlačenia guľôčky Základné Drevina štat. charakter. Hrab Javor Topoľ h = 5,64 [mm] h = 2.82 [mm] h = 5,64 [mm] h = 2.82 [mm] Pozdĺžny smer h = 5,64 [mm] h = 2.82 [mm] H [MPa] 99.25 87.19 70.23 62.64 43.73 41.32 s [MPa] 6.60 5.68 3.74 3.42 4.34 4.53 n 30 30 32 32 32 32 Rel. hod. [%] 100 87.8 100 89.2 100 94.5
Štiepateľnosť. Podstatou metódy je zistenie sily, ktorá spôsobuje rozštiepenie skúšobného telesa Hodnota štiepateľnosti našich drevín je v rozmedzí 0,8 až 2,6 MPa. ( S w = F bl max ( Fmax MPa [ S w = Nmm ] 1 b [ ]
Odpor proti vytiahnutiu klincov a skrutiek. Podstatou metódy je zistenie sily, potrebnej na vytiahnutie klinca alebo skrutky z dreva Veľkosť sily na vytiahnutie klincov z dreva domácich drevín je 230 až 700 N a skrutiek 450 až 1200 N. R w = F max l
Odpor materiálu proti pretiahnutiu hlavičky klinca Podstata skúšky je meranie zaťaženia, ktorým možno pretiahnuť hlavičku klinca cez skúšobné teleso priamym ťahom. Veľkosť sily potrebnej na pretiahnutie hlavičky klinca je u preglejok (BK-SM-BK): (650 700) N, drevovláknitá doska: (2000 2800) N atď.
Odolnosť proti pretláčaniu. Zisťuje sa sila potrebná na pretláčanie skúšobného telesa pri sústredenom statickom zaťažení. V p F max = [ ] 1 N mm h
Odolnosť proti oderu. Podstatou metódy je zistenie úbytku hmotnosti skúšobného telesa vážením pri jeho odieraní a vypočítanie ukazovateľa oderu na tangenciálnej, radiálnej alebo priečnej ploche. t m1 m2 = 100 [%] m 1
Vplyv rôznych faktorov na mechanické vlastnosti Anatomický smer, drevina, hustota, vlhkosť, teplota,...
Vplyv vlhkosti na mechanické vlastnosti. Daná problematika je rozčlenená na nasledovne: zmena pevnosti a ďalších napäťových charakteristík s vlhkosťou pri rôznych spôsoboch zaťaženia, vplyv vlhkosti na pevnosť dreva so zmenenou štruktúrou, prepočet pevnosti dreva z vlhkosti w 1 na vlhkosť w 2, interakcia vlhkosti a teploty.
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva. Tiemann (1906) Pevnosť
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva Pevnosť. Jedna skupina autorov tvrdí, že maximálna pevnosť dreva sa dosahuje pri vlhkosti 5 15 %. Druhá skupina autorov uvádza, že maximálna pevnosť dreva sa dosahuje pri vlhkosti 0 %.
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva Pevnosť dreva pri všetkých spôsoboch zaťaženia dosahuje najvyššie hodnoty pri nulovej vlhkosti a s rastúcou vlhkosťou úmerne klesá až po medzu nasýtenia bunkových stien. Za touto vlhkostnou hranicou je pevnosť konštantná. Medza pevnosti [MPa] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vlhkosť w [%] Závislosť medze pevnosti bukového dreva v tlaku rovnobežne s vláknami na vlhkosti
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva Závislosť medze pevnosti bukového dreva na vlhkosti pri rôznych spôsoboch zaťaženia
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva vzper Kĺbové uloženie Kritické napätie [MPa] σ kr 24 22 20 18 16 14 12 10 8 Krátke stĺpy Kritické napätie [MPa] σ kr 70 60 50 40 Medza pevnosti [MPa] σ p 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Vlhkost w [%] 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Vlhkost w [%] Dlhé stĺpy Stredne dlhé stĺpy 6 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Vlhkost w [%]
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva modelovanie σ σ σ σ σ σ σ w w = σ 12 σ BNV w 12 w 12 σ = σ 10 BNV BNV A ( w w) BNV 2 w = A + Bw + Cw + w = At + B 10 Cw w = A + Bw + Cw B ρ w = σ ( ρ 0 ) + 1 + Ce w = σ MN 2 ( ) 0 Dw Dw ( w w) n + A MN 3 Wilson1930 (U.S. Forest Products Laboratory 1974) Wilson 1932 (Gerhards Bojko (1952) Ishida (1954) Leontiev (1960) Musial (1981) Kúdela a kol. σ w = σ 0 ρ k A 0 1+ k β β w w n Kúdela a Reinprecht (1990)
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva variabilita Relatívna zmena pevnosti dreva z 12 % vlhkosti na 6 a 20 % vlhkosť pri teplote 20 C, pri rôznych spôsoboch zaťaženia (základ 100 % je pevnosť pri 12 % vlhkosti) (Gerhards 1982) Vlastnosť Relatívna zmena pevnosti dreva z 12 % vlhkosti na 6 % vlhkosť na 20 % vlhkosť Pevnosť v tlaku rovn. s vláknami + 35 35 Pevnosť v tlaku kolmo na vlákna + 30 30 Pevnosť v ťahu rovn. + 8 15 Pevnosť v ťahu kolmo na vlákna + 12 20 Pevnosť v statickom ohybe + 30 25 Pevnosť v šmyku rovn. s vláknami + 18 18
Vplyv vlhkosti na pevnosť dreva variabilita Relatívna pevnosť [%] Kühne (Greczyński 1975) Leontiev (1961) Küch (Kollmann 1951) Greczyński (1975) Schlyter (Vorreiter 1949) Naše výsledky Vlhkosť [%] Relatívna zmena pevnosti dreva s vlhkosťou v statickom ohybe
Prepočet pevnosti dreva z vlhkosti w 1 na vlhkosť w 2. za účelom prepočtu pevnosti z vlhkosti w 1 na vlhkosť w 2 bolo navrhnutých viacero rovníc u nás sa na prepočet pevnosti prírodného dreva pri všetkých spôsoboch zaťaženia najčastejšie používa rovnica σ ktorá pôvodne slúžila na prepočet pevnosti dreva na 12 % vlhkosť. Normou stanovený vlhkostný rozsah, v ktorom možno aplikovať rovnicu je 8 18 %. σ w2 σ12 = 1+ α( w2 [ + ( w )] = σ w1 1 α2 1 12 12 12 ) σ pre w 30 % 30 30 12 = σ K
Opravné vlhkostné koeficienty Ṗrepočet pevnosti dreva z vlhkosti w 1 na vlhkosť w 2 Zaťaženie Opravný vlhkostný koeficient α Poznámka Tlak rovnobežne s vláknami 0,04 platí pre všetky dreviny Tlak kolmo na vlákna 0,035 Ťah rovnobežne s vláknami 0,01 Ťah kolmo na vlákna rad. smer 0,01 Ťah kolmo na vlákna tang. smer 0,025 Šmyk rovnobežne s vláknami 0,03 Šmyk kolmo na vlákna 0,02 ihličnaté dreviny 0,03 listnaté dreviny Ohyb kolmo na vlákna 0,04 platí pre všetky dreviny
Zmena pevnosti vplyvom teploty. Závislosť medze pevnosti bukového dreva v statickom ohybe na teplote pri 1, 4 a 8 hod. nahrievania
Zmena pevnosti vplyvom teploty.
Zmena pevnosti vplyvom vlhkosti a teploty. Pevnosť s [MPa] Vlhkosť w [%] Teplota t [ C] Závislosť medze pevnosti bukového dreva v tlaku rovnobežne s vláknami na vlhkosti a teplote pri 1, 4 a 8 hod. nahrievania
Vplyv vlhkosti na pružnosť dreva Zmena medze úmernosti a modulu pružnosti vplyvom vlhkosti sú kvalitatívne podobné ako v prípade medze pevnosti
Vplyv vlhkosti na pružnosť dreva prepočet medza úmernosti σ [ + ( w )] = σ w 1 α1 12 12 modul pružnosti E = Ew + α ( w 12 ) 12 2 [ ] n n doporučenie = y + A ( w w ) ( w w yw w MN 2 MN 1 ) 2 1
Vplyv teploty na napäťové charakteristiky
Vplyv vlhkosti a teploty na plastickosť dreva.
Vplyv vlhkosti na húževnatosť dreva. Rázová húževnatosť v ohybe práca potrebná na zlomenie skúšobného telesa pri daných podmienkach skúšky.
Zhodnotenie vplyvu vlhkosti Vlhkosť významne ovplyvňujú všetky základné mechanické vlastnosti dreva. Významný vplyv na uvedené vlastnosti má aj interakcia vlhkosti a teploty a pri vyšších teplotách aj čas nahrievania. Keďže s rastúcou vlhkosťou a teplotou medza pevnosti, medza úmernosti a modul pružnosti klesajú, drevo v dôsledku vlhkostného a tepelného namáhania stráca na pevnosti, tuhosti a stáva sa poddajnejším, čo sa odráža na jeho lepšej deformačnej schopnosti. Popri uvedených zmenách si však zachováva húževnatosť a odolnosť proti krehkému lomu.
Hodnotenie kvality dreva a drevných kompozitov zisťovanie vlastností materiálu na skúšobných telesách, matematicko-štatistické metódy, kvalitatívne čísla, využitie vlastnosti vstupnej suroviny vo vlastnostiach drevných kompozitov, hodnotová analýza, vizuálne hodnotenie kvality, pevnostné hodnotenie kvality.
Hodnotenie kvality dreva a drevných kompozitov. Na hodnotenie kvality dreva a drevných kompozitov sa aplikujú rôzne metódy zisťovanie vlastností materiálu na skúšobných telesách, matematicko-štatistické metódy, kvalitatívne čísla, využitie vlastnosti vstupnej suroviny vo vlastnostiach drevných kompozitov, hodnotová analýza, vizuálne hodnotenie kvality, pevnostné hodnotenie kvality.
Tvar a veľkosť skúšobného telesa. Malorozmerové (bezchybné) skúšobné telesá ich tvar a rozmery sú bežne určené v jednotlivých normách. Vyznačujú sa tým, že ich rozmery sú podstatne menšie ako rozmery výrobkov. Základné požiadavky na takéto telesá sú: vylúčenie akýchkoľvek identifikovateľných chýb, priebeh ročných kruhov by mal byť taký, aby zaťažujúca sila pôsobila v jednom zo základných anatomických smerov a zaťažovaná plocha prestavovala jeden zo základných anatomických rezov.
Tvar a veľkosť skúšobného telesa. Veľkorozmerové (konštrukčné) skúšobné telesá ich tvar a rozmery sú vo väčšine prípadov zhodné s finálnym výrobkom, alebo vykazujú len minimálnu rozdielnosť. V tomto prípade chyby, ktoré pri finálnom zhodnotení drevnej suroviny nie je možné vylúčiť, sú neoddeliteľnou súčasťou skúšobného telesa. Väčšinou platí, že pevnostné charakteristiky sú vyššie na malorozmerových telesách, zatiaľ čo pružnostné na veľkorozmerových.
Kvalitatívne čísla. Hodnotenie kvality dreva, drevných kompozitov alebo akéhokoľvek iného materiálu len podľa jedného ukazovateľa je často nepresné a nedostatočné, lebo nedáva komplexný obraz o materiáli. Preto už dávnejšie boli zavedené komplexné ukazovatele kvalitatívne čísla, ktoré vždy zohľadňujú dve charakteristiky. Jedna z nich je hustota ρ 12 ku ktorej vzťahujeme konkrétnu mechanickú vlastnosť σ 12.
Kvalitatívne čísla. Z pohľadu výpočtu sa rozlišujú podľa váhy hustoty dva druhy kvalitatívnych čísel. Najčastejšie sa používa "bežné" kvalitatívne číslo K vypočítané podľa rovnice σ12 K = 10 ρ 12 Ďalej je možnosť určenia špeciálneho kvalitatívneho čísla K š podľa rovnice σ 12 K š = 2 10 ρ 12 V druhom prípade sa kladie zvýšená váha na hustotu.
Využitie vlastnosti vstupnej suroviny vo vlastnostiach drevných kompozitov Pri vzájomnom kvalitatívnom zhodnotení dreva a drevných kompozitov vychádzame zo základnej tézy "do akej miery je v príslušnom drevnom kompozite využitá vlastnosť suroviny (dreva)". vyjadruje sa pomerom kvalitatívneho čísla porovnávaného materiálu K pm ku kvalitatívnemu číslu dreva K d podľa rovnice: V = K K pm d
Hodnotová analýza. Pri hodnotovej analýze sa v súvislosti s formuláciou základného kritéria efektívnosti vždy sledujú nasledovné dva činitele: stupeň plnenia funkcie analyzovaného predmetu (hodnota vlastnosti), veľkosť vlastných nákladov alebo cena na zaistenie tejto funkcie (cena jednotkového objemu). pomerná efektívna hodnota PEH, ktorá charakterizuje mieru efektívnej užitočnosti vlastnosti materiálu vyjadrenej k cene objemovej jednotky PEH = hodnota vlastnosti materiálu cena objemovej jednotky materiálu
Vizuálne hodnotenie kvality. V tomto prípade sa jedná predovšetkým o triedenie reziva (ale aj guľatiny), ktoré z pohľadu piliarskej výroby vystupuje ako finálny výrobok. Pri vizuálnom hodnotení kvality reziva vychádzame z výskytu a rozloženia chýb: štruktúry (hrče, trhliny, textúra, beľ, krivosť, zbiehavosť, nádory, koreňové nábehy, priebeh vlákien, zárast, živičníky a iné), spôsobených hubami a hmyzom ( sfarbenie, zaparenie, hniloba, nepravé jadro, napadnutie hmyzom a iné), spôsobených manipuláciou (porezom) (ryhy po pílových listoch, vlnitosť, chlpatosť alebo šikmosť rezu, obliny a iné), šúverenia (plošné pozdĺžne zakrivenie kolíska, bočné pozdĺžne zakrivenie šabľa, priečne zakrivenie korýtko a skrutkovité zakrivenie vrtuľa ).
Pevnostné hodnotenie vlastnosti. Pevnostné hodnotenie kvality je založené na princípe hodnotenia mechanických vlastností dreva. V porovnaní s vizuálnym triedením je objektívnejšie. Podstata nedeštruktívnou metódou sa stanovujú pružnostné charakteristiky, ktoré sú v tesnej korelácii s pevnosťou. V súčasnej dobe existujú v podstate tri základné metódy stanovenia pevnostných vlastnosti reziva: Metóda priehybu je založená na tesnej korelačnej závislosti medzi pevnosťou a modulom pružnosti dreva v ohybe. Táto metóda môže byť založená buď na princípe konštantného zaťaženia alebo konštantného priehybu. Metóda dynamického modulu pružnosti. Metóda prežiarenia hlavným parametrom je hustota, kde vo vzťahu k mechanickým vlastnostiam platí priama úmera.
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5)
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5) 1.. Vychádza sa z priemernej hodnoty pevnosti stanovenej z experimentálne nameraných hodnôt výberového súboru pri vlhkosti 12 %. σ 12 = σ n i
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5). 2. Zohľadnia sa parametre prostredia (ϕ, t) a stanoví sa prípustná rovnovážna vlhkosť dreva, ktorú v danom prostredí by mohlo dosiahnuť.
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5). 3. Stanovenie pevnosti X k, ktorá zodpovedá α kvantilu štatistického rozdelenia hodnotenej pevnosti X k = σ w ( 1 t 95 v ) m X X m k k r σ = s = σ σ r = X K ( 1 mσ ) σ ( 1 m t95 v) = w σ = σ s σ w σ w s n s n = v n X k = σ w v ( 1 t 95 v ) n
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5) 4. Výpočtová pevnosť v súlade s EUROKÓDOM 5 sa stanoví podľa rovnice X d k X k = mod k mod súčiniteľ zohľadňujúci vplyv dĺžky trvania γ m zaťaženia a vlhkosti, γ M súčiniteľ zohľadňujúci vlastnosti materiálov
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5) Ḣodnoty koeficienta k mod pre drevo, lamelové drevo a preglejky podľa EUROCODU 5 Trieda trvania zaťaženia Trieda vlhkosti 1 2 3 (t = 20 C, ϕ = 65 %) (t = 20 C, ϕ = 85 %) (t = 20 C, ϕ > 85 %) Stále 0,60 0,60 0,50 Dlhodobé 0,70 0,70 0,55 Strednodobé 0,80 0,80 0,65 Krátkodobé 0,90 0,90 0,70 Okamžité 1,10 1,10 0,90
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5). Triedy trvania zaťaženia Trieda trvania zaťaženia Rozsah trvania zaťaženia Príklady zaťaženia Stále nad 10 rokov Vlastná hmotnosť Dlhodobé 6 mesiacov až 10 rokov Skladové zaťaženie Strednodobé 1 týždeň až 6 mesiacov Užitkové zaťaženie, sneh Krátkodobé Pod 1 týždeň Sneh, vietor Okamžité Veľmi krátkodobé zaťaženie
Výpočtová pevnosť dreva (EUROCOD 5). Súčiniteľ vlastností materiálov γ M podľa EUROCODU 5 Základné kombinácie Súčiniteľ γ M Drevo a materiály na báze dreva 1,3 Oceľ používaná v spojoch 1,1 Mimoriadne kombinácie 1,0
Aplikácia fyzikálnych a mechanických vlastností dreva v technológiách Stanovenie kvality reziva pevnostné triedenie, piliarska výroba, sušenie, impregnácia, modifikácia dreva, plastifikácia, tvárnenie dreva ohýbaním, tvárnenie dreva lisovaním, lepenie, povrchová úprava,...
Príklad ohýbanie Čo si vyžaduje ohýbanie? výber vhodnej dreviny cielené dočasné a trvalé zmeny fyzikálnych a mechanických vlastností správnu technológiu ohýbania
Príklad ohýbanie Kritériá. pre výber dreviny minulosť Hľadali sa korelácie medzi polomerom ohnutia a rôznymi vlastnosťami, ale nedospelo sa k jednoznačnému výsledku (Koch 1985) Poradie drevín podľa kvality ohýbania Pevnosť v tlaku Pevnosť v ohybe Hustota 1 Hackberry, KP 11 9 6 2 Oak white, KP 2 3 2 3 Oak red, KP 5 4 4 4 Oak chestnut, KP 4 6 3 5 Sweet bay, RP 8 10 8 6 Hickory, KP 1 1 1 7 Elm American, KP 10 8 7 8 Ash white, KP 3 2 5 9 Sweet gum, RP 7 7 7 10 Maple red, RP 6 5 6 11 Yellow poplar, RP 9 11 9 12 Tupelo black, RP 6 12 7
Príklad ohýbanie Kritériá pre výber dreviny súčasnosť určujúcou vlastnosťou je tvárniteľnosť dreva v tlaku rovnobežne s vláknami (stlačiteľnosť) čím je vyššia stlačiteľnosť do porušenia, tým sa dosiahne menší polomer ohnutia platí za predpokladu, že sa vylúči zaťaženie v ťahu rovnobežne s vláknami
Príklad ohýbanie. Hodnota minimálneho polomeru je určená hlavne deformáciou v tlaku rovnobežne s vláknami do porušenia, za predpokladu vylúčenia ťahových napätí. Minimálny polomer možno za určitých zjednodušujúcich predpokladov vypočítať podľa rovnice r = h ε max h kde h je hrúbka dielca a ε max je maximálna pomerná deformácia do porušenia v tlaku rovnobežne s vláknami.
Tvárnenie dreva lisovaním.vypočítané minimálne polomery ohybu dielcov rôznych hrúbok Hrúbka dielca h [mm] Pomerná deformácia ε max Minimálny polomer ohybu r min [mm] 20 45 24,4 20 32 42,5 20 15 113,3 30 45 36,7 30 32 63,7 30 15 170,0 40 45 48,9 40 32 85,0 40 15 226,7
Príklad ohýbanie. Použitie pásnice vylúčenie ťahu
Príklad ohýbanie Komprimácia dreva pred ohýbaním
Koniec Ďakujem za pozornosť
.
.