POLITECHNIKA KRAKOWSKA WOSZCZEK Kamil
WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ
GRUPA 8/L-1
Badanie własności drewna
Sprawozdanie w ćwiczeń laboratoryjnych z materiałów budowlanych
Wprowadzenie
Drewno jest naturalnym materiałem wykorzystywanym w budownictwie. Wykazuje różne wartości tej samej cechy w zależności od kierunku badania. Wynika to z jego budowy wewnętrznej, właściwość ta nazywana jest anizotropią. Badaniu głównie podlegają własności wytrzymałościowe tego materiału. Wpływ na wyniki ma, oprócz budowy wewnętrznej, wilgotność. Wraz z jej wzrostem rezultaty coraz bardziej odbiegają od pożądanych (w przypadkach badania cech wytrzymałościowych). Tak więc chcąc porównać właściwości różnych gatunków drzew należy przeprowadzać badania na próbkach o tej samej wilgotności. Zgadnie z normą PN-77/D-04100 wartość ta powinna wynosić 12%.
Oznaczenie własności
Do oznaczeń własności drewna badaniom poddajemy próbki wykonane ze świerku.
2.1. Oznaczenie gęstości objętościowej
Oznaczenie tej cechy wyznacza się w badaniu 3 próbek o wymiarach 20x20x20 ± 5 [mm]. Wszystkie próbki zostały wysuszone w temperaturze +105 ± 2 [ ̊C], aby pozbyć się wody z materiału. Wartość cechy oblicza się ze wzoru:
$\rho_{0} = \frac{m}{V_{0}}$ $\lbrack\frac{g}{\text{cm}^{3}}\rbrack$
gdzie:
ρ0 - gęstość objętościowa,
m - masa próbki w stanie suchym z dokładnością do 0,01]g],
V0 - objętość wraz porami z dokładnością do 0,001 [mm3].
Gęstość objętościowa przy wilgotności 12-15% dla świerku przyjmuje wartość 340-470-680[$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$](*)
2.2. Oznaczenie wilgotności względnej
Badanie polega na oznaczeniu zawartości wody z materiale poprzez porównanie masy próbki materiału wilgotnego z masą próbki materiału suchego ( wysuszonego w temperaturze +105 ± 2 [ ̊C]). Do wykonania doświadczenia używa się 3 próbek o wymiarach 20x20x25 ± 5 [mm] (przekrój poprzeczny 20x20 [mm] oraz długość wzdłuż włókien 25 ± 5 [mm]). Próbki wykonane z drewna wolnego od wad, w taki sposób aby słoje roczne na przekroju poprzecznym przebiegały stycznie to jednego z boków przekroju, a włókna równoległe do dłuższego boku próbki.
Badanie rozpoczyna się określeniem masy próbki niewysuszonej. Następnie podlega ona działaniu temperatury w suszarce. Przebieg suszenia sprawdza się przez ważenie kontrolne prowadzone w odstępach 2-godzinnych. Pierwsze ważenie wykonuje się nie wcześniej niż po 6 godzinach dla drewna miękkiego lub po 10 godzinach dla drewna twardego. Przed ważeniem kontrolnych próbkę ochładza się w eksykatorze do temperatury +20 ± 2 [ ̊C]. Jeżeli dwa kolejne ważenia wykazuję różnicę masy niewiększą niż 0,01[g] to stan próbki uważa się za stan suchy. Wartość cechy oblicza się ze wzoru:
$$w = \frac{m_{w} - m_{s}}{m_{s}} \bullet 100\ \lbrack\%\rbrack$$
gdzie:
w - wilgotność bezwzględna [%],
mw - masa próbki wilgotnej z dokładnością do 0,01[g],
ms - masa próbki suchej z dokładnością do 0,01[g].
Wynikiem końcowym jest średnia arytmetyczna wszystkich wyników pojedyńczych oznaczeń.
Do wszystkich oznaczeń wykorzystano próbki z drewna o wilgotności 14%.
2.3. Oznaczenie skurczu
Skurcz jest zjawiskiem spowodowany wysychaniem. Materiał traci wodę znajdującą się zarówno w jak i pomiędzy komórkami. Europejskie gatunki drzewa wykazuję skurcz objętościowy 7-22%. Skurcz liniowy zależy od kierunku badania. Wartości cechy wahają się:
- wzdłuż włókien 0,1-1,0%
- w kierunku stycznym 6-12%
-w kierunku promieniowym 3-6%
Badanie polega na określeniu zmian wymiarów liniowych podczas jej suszenia od stanu wilgotności nasycenia lub wyżej do stanu całkowicie suchego. W tym celu należy przygotować próbki o wymiarach przekroju poprzecznego 20x20[mm] i długości wzdłuż włókien 10-30[mm]. Próbki powinny być gładko obrobione oraz wykonane z drewna wolnego od wad. Odchylenia od równoległości przeciwległych płaszczyzn nie mogą przekraczać 0,1[mm]. Próbki poddaje sie klimatyzacji w temperaturze +20 ± 2 [ ̊C] i wilgotności względnej powietrza na poziomie 65 ± 5 %. Po zakończeniu przygotowywania próbek mierzy się ich wymiary w kierunku promieniowym, stycznym oraz kierunku podłużnym. Wymagana dokładność pomiaru wynosi 0,01[mm]. Następnie obiekty badań poddaje się procesowi suszenia (temperatura +105 ± 2 [ ̊C]) oraz określa się ich wymiary. Wartości cechy wyznacza sie według wzoru:
$$\varepsilon_{\text{MAX}} = \frac{l_{\text{MAX}} - l_{\text{MIN}}}{l_{\text{MAX}}} \bullet 100\left\lbrack \% \right\rbrack$$
gdzie:
εMAX - skurcz w kierunku promieniowym/stycznym/wzdłuż włókien,
lMAX - wymiar w kierunku promieniowym/stycznym/wzdłuż włókien próbki o wilgotności równej lub wyższej od wilgotności odpowiadającej stanowi nasycenia włókien [mm],
lMIN - wymiar w kierunku promieniowym/stycznym/wzdłuż włókien próbki w stanie całkowicie suchym [mm],
Wielkość skurczu dla drewna świerkowego przyjmuje wartości: wzdłuż włókien - 0,3%; w kierunku promieniowym - 3,5-3,7%; w kierunku stycznym- 7,8-8,0%(*)
2.4 Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie.
Anizotropowa właściwość drewna widoczna jest również przy badaniu wytrzymałości na rozciąganie, dlatego cechę tą bada się różnych kierunkach. Najatrakcyjniejsze wyniki rejestruje się, gdy siłami ściskającymi działamy wzdłuż włókien. Dla gatunków drzew europejskich przyjmują one wartości od 80 do 160 MPa. Diametralnie mniejszą wytrzymałość wykazuje drewno badane w poprzek włókien – od 2 do 9 MPa.
2.4.1. Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien.
Badanie polega na określeniu maksymalnej siły, która zniszczy rozciągającą próbkę w kierunku równoległym do przebiegu włókien. Następnie określa się wartość niszczącego naprężenia rozciągającego na podstawie wielkości rozciąganego przekroju próbki i siły niszczącej.
Doświadczenie przeprowadza się na 3 próbkach w kształcie i wymiarach podanych na rysunku.
Są one gładko obrobione i wykonane z drewna wolnego od wad. Przed oznaczeniem wytrzymałości obiekty badań są klimatyzowane.
Przed wykonaniem badania wyznaczamy pole przekroju poprzecznego próbki w zwężonej części „wiosełka”. Dokładność pomiaru wynosi do 0,1[mm]. Próbkę umieszczamy w uchwytach maszyny wytrzymałościowej, obciążamy siłami rozciągającymi równolegle do osi podłużnej jej przewężonej części równomiernie ze stałą prędkością (w naszym przypadku jest to 20 [N/s]). Wytrzymałość na rozciąganie drewna wzdłuż włókien Rr∥ oblicza się według wzoru:
$$R_{r}^{\parallel} = \frac{P_{n}}{a \bullet b\ }\lbrack\frac{N}{\text{mm}^{2}} = MPa\rbrack$$
gdzie:
Pn – rozciągająca siła niszcząca [N],
a,b – wymiary przekroju poprzecznego przewężonej części próbki [mm]
Wynik oznaczenia:
Pn = 7466, 75 [N]
a = 5 [mm]
b = 20 [mm]
Rr∥ = 75 [MPa]
Wykres rejestrujący przebieg badania dodany jest jako załącznik do sprawozdania
2.4.2. Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie w poprzek włókien.
Badanie polega na określeniu siły maksymalnej na rozciąganie jak w przypadku oznaczenia wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien, siła rozciągająca działa w tym przypadku jednak w kierunku prostopadłym do włókien. Próbki (3 sztuki) podlegające oznaczeniu mają kształt i wymiary jak na rysunku.
Przed obciążeniem próbki należy wykonać pomiar przekroju w przewężonej części z dokładnością do 0,1[mm], umieścić w uchwytach maszyny po czym działać na nie równomiernie siłami rozciągającymi (w naszym przypadku znów jest to 20 [N/s]). Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien Rr⊥oblicza się ze wzoru:
$$R_{r}^{\bot} = \frac{P_{n}}{a \bullet b}\lbrack\frac{N}{\text{mm}^{2}} = MPa\rbrack$$
gdzie:
Pn- rozciągająca siła niszcząca [N],
a,b – wymiary przekroju poprzecznego przewężonej cząsci próbki [mm]
Wynik oznaczenia:
Pn=1008,91[N]
a = 20 [mm]
b = 25 [mm]
Rr⊥ = 2 [MPa]
Wykres rejestrujący przebieg badania dodany jest jako załącznik do sprawozdania.
Wnioski: Wyniki obu oznaczeń ukazują w pełni anizotropowe właściwości drewna. Jego wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien drastycznie maleje w odniesieniu do wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien.
2.5. Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien.
Drewno wykazuje największą wytrzymałość na ściskanie, gdy siły ściskające działają równolegle do włókien. Dla gatunków drzew europejskich wartości tej cechy wahają się od 40 do 60 MPa.
Badaniu polega na określeniu wartości siły ściskającej próbkę w kierunku równoległym do przebiegu włókien. Oznaczenie dokonuje się na 3 próbkach o kształcie prostopadłościanu o wymiarach 20x20x30[mm] (jak na rysunku).
Próbki wykonane są z drewna wolnego od wad i są gładko obrobione. Przed wykonaniem oznaczenia są klimatyzowane w sposób objaśniony wcześniej oraz dokonuje się pomiaru wielkości przekroju obiektu badania. Próbki w celu wyznaczenia wytrzymałości na ściskanie ustawia się na płycie maszyny wytrzymałościowej tak, aby kierunek działania siły był równoległy do podłużnej osi próbki. Próbkę obciążamy równomiernie ( w tym przypadku 300 [N/s]). Wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż włókien Rc∥ oblicza się ze wzoru:
$$R_{c}^{\parallel} = \frac{P_{n}}{a \bullet b}\lbrack\frac{N}{\text{mm}^{2}} = MPa\rbrack$$
gdzie:
Pn - ściskająca siła niszcząca [N],
a – wymiar próbki w kierunku promieniowym [mm],
b – wymiar próbki w kierunku stycznym [mm]
Wynik oznaczenia:
Pn = 15000[N]
a = 20[mm]
b = 20[mm]
Rc∥=37, 5 MPa
Wykres rejestrujący przebieg badania dodany jest jako załącznik do sprawozdania.
2.6. Oznaczenie wytrzymałości na zginanie statyczne.
Badanie polega na określeniu maksymalnej wartości naprężenia, jakie jest zdolny przenieść materiał w próbie zginania. Aby to zrobić określana jest wielkość momentu zginającego niszczącego próbkę i jej przekrój poprzeczny.
Badaniu podlegają 3 próbki z drewna o kształcie beleczek o wymiarach 20x20x300[mm] ustawione na podporach odległych od siebie o 240[mm].
Przed obciążeniem wykonujemy pomiar przekroju poprzecznego próbki. Następnie obiekty badań umieszczamy w maszynie wytrzymałościowej, by dzięki niej działać na próbkę równomiernie siłą ze stałą prędkością (w tym przypadku 25[N/s].
Wytrzymałość na zginanie statyczne Rzgoblicza się ze wzoru:
$$R_{\text{zg}} = \frac{M_{n}}{W} = \frac{\frac{P_{n}}{2} \bullet \frac{l}{2}}{\frac{b \bullet h^{2}}{6}} = \frac{3 \bullet P_{n} \bullet l}{2 \bullet b \bullet h^{2}}\ \lbrack\frac{N}{\text{mm}^{2}} = MPa\rbrack$$
gdzie:
Mn - maksymalny moment zginający [N • mm],
W - wskaźnik wytrzymałości przekroju [mm3],
Pn – maksymalna siła powodująca zniszczenie materiału [N],
l – rozstaw podpór [mm],
b,h – wymiary przekroju poprzecznego [mm]
Wynik oznaczenia:
Pn = 2430[N]
l = 240[mm]
h = 20[mm]
b = 20[mm]
Rzg=109, 3[MPa]
Wykres rejestrujący przebieg badania dodany jest jako załącznik do sprawozdania.
2.7. Oznaczenie wytrzymałości na ścinanie wzdłuż włókien.
Badanie polega na poddaniu próbki drewna oddziaływaniu dwóch sił równoległych przeciwnie skierowanych. Oznaczenie przeprowadza się na 3 próbkach o kształcie i wymiarach jak na rysunku.
Sposób przygotowania próbki jest taki sam jak przy badaniach poprzednich. Przed obciążeniem mierzy się wymiary przekroju poprzecznego próbki z dokładnością do 0,1[mm] następnie umieszcza w maszynie wytrzymałościowej i przystępuje się do badania cechy działając na nią równomiernie siłą ze stałą prędkością. Wytrzymałość na ścinanie wylicza się ze wzoru:
$$R_{t} = \frac{P_{n}}{b \bullet l}\ \left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} = MPa \right\rbrack$$
gdzie:
Pn - siła niszcząca powodująca ścięcie próbki [N],
b,l – odpowiednio szerokość i długość powierzchni ścinania [mm]
Wynik oznaczenia:
Pn = 4790[N]
b = 20[mm]
l = 30[mm]
Rt= 8[MPa]
2.8. Oznaczenie twardości statycznej.
Cechę tą oznacza wykonując doświadczenie nazwane metodą Janki. Polega ono na określeniu wartości siły, jaka jest potrzebna do zagłębienia w materiale próbki stempla z końcówką w kształcie półkuli o promieniu r = 5,64[mm], aby powierzchnią wgłębienia była połową sfery o powierzchni 1[cm2] .
Tak więc miarą twardości jest siła lub naprężenie jakie spowodowało odkształcenie, na podstawie której określa się klasę twardości. Badaniu podlegają 3 próbki prostopadłościenne o wymiarach 50x50x50[mm]. Siła powodująca odkształcenie działa wzdłuż włókien i wzrasta ze stałą prędkością. Twardość statyczną drewna wyznacza się ze wzoru:
Hst = k • P [N]
gdzie:
P – siła powodująca zagłębienie końcówki w drewnie na głębokość 5,64[mm] [N],
k – współczynnik korekcyjny wynoszący w przypadku wgniatania końcówki na głębokość 5,64[mm] wynoszący 1,0[-]
Wynik oznaczenia:
P = 2095,73 [N]
k = 0,1[-]
Hst= 2095,73 [N]
Wartość twardości wyniosła około 2[kN] co pozwoliło zakwalifikować tę próbkę świerku do I klasy twardości, co oznacza że jest to drewno bardzo miękkie. Klasyfikację twardości przedstawiono w tabeli poniżej.
PODZIAŁ DREWNA WEDŁUG TWARDOŚCI (KLASYFIKACJA JANKI) |
---|
I klasa |
II klasa |
III klasa |
IV klasa |
V klasa |
VI klasa |
(*) – dane ze strony www.itd.poznan.pl