Faszerkezetek tervezése, fejlesztése vagy gyártása során fontos ismerni az anyag szilárdsági tulajdonságait - a fa tervezési ellenállását, amelyet négyzetcentiméterenként egy kilogrammban mérnek. A mutatók tanulmányozásához szabványos méretű mintákat használnak, amelyeket a kívánt minőségű deszkából vagy fából fűrészelnek, külső hibák, csomók és egyéb hibák nélkül. Ezt követően a mintát összenyomással, hajlítással és nyújtással szembeni ellenállásra tesztelik.
Fafajták
A fa egy sokoldalú anyag, amely könnyen megmunkálható, és a termelés különböző területein használatos: építőiparban, bútorokban, edényekben és egyéb háztartási cikkekben. Az alkalmazási terület a különböző fizikai, kémiai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkező fa fajtájától függ. Az építőiparban különösen népszerűek az olyan tűlevelűek, mint a lucfenyő, cédrus, fenyő, vörösfenyő, fenyő. Kisebb mértékben lombos fák - nyír, nyár, nyár, tölgy, mogyoró, hárs, éger, bükk.
A tűlevelű fajtákat körfa, faanyag, deszka formájában használják tartócölöpök, rácsok, oszlopok, hidak, házak, boltívek, ipari létesítmények és egyéb épületszerkezetek gyártásához. A keményfa anyagok a teljes fogyasztásnak csak egynegyedét teszik ki. Ennek oka a keményfa fűrészáru rosszabb fizikai és mechanikai tulajdonságai, ezért próbálják kis teherbírású szerkezetek gyártására alkalmazni. Általában vázlat- és ideiglenes objektumcsomópontokhoz mennek.
A fa építőipari felhasználását a fa fizikai és mechanikai tulajdonságainak megfelelő szabályok szabályozzák. Ezek a tulajdonságok a páratartalomtól és a hibák jelenlététől függenek. A teherhordó elemeknél a páratartalom nem haladhatja meg a 25%-ot, más termékeknél nincs ilyen követelmény, de vannak szabványok a konkrét fahibákra.
Kémiai összetétel
A fa tömegének 99%-a szerves anyagok. Az elemi részecskék összetétele minden kőzet esetében azonos: nitrogén, oxigén, szén és hidrogén. Összetettebb molekulákból álló hosszú láncokat alkotnak. A fa a következőkből áll:
- A cellulóz egy természetes polimer, amely a láncmolekulák nagyfokú polimerizációjával rendelkezik. Nagyon stabil anyag, nem oldódik vízben, alkoholban vagy éterben.
- A lignin összetett molekulaszerkezetű aromás polimer. Nagy mennyiségű szenet tartalmaz. Neki köszönhetően megjelenik a fatörzsek lignifikációja.
- A hemicellulóz a közönséges cellulóz analógja, de a láncmolekulák polimerizációs foka alacsonyabb.
- Extractiveanyagok – gyanták, gumik, zsírok és pektinek.
A tűlevelű fák magas gyantatartalma megőrzi az anyagot, és lehetővé teszi, hogy hosszú ideig megőrizze eredeti tulajdonságait, így segít ellenállni a külső hatásoknak. Az alacsony minőségű, nagy számú hibával rendelkező fatermékeket főként a fakémiai iparban használják alapanyagként papírgyártáshoz, ragasztott faanyaghoz vagy olyan vegyi elemek kivonásához, mint a bőrgyártásban használt tanninok.
Megjelenés
A fa a következő külső tulajdonságokkal rendelkezik:
- Szín. A fény visszavert spektrális összetételének vizuális észlelése. Fontos a fűrészrönk befejező anyagként történő kiválasztásakor.
- A színezés a fa korától és típusától, valamint a növekedési hely éghajlati viszonyaitól függ.
- Ragyogj. A fényvisszaverő képesség. A legmagasabb arányt a tölgyben, kőrisben, akácban észlelték.
- Texture. A törzs évgyűrűi által alkotott minta.
- Mikrostruktúra. A gyűrűszélesség és a késői fatartalom határozza meg.
Az indikátorokat a fakitermelés minőségének külső értékelésére használják. A szemrevételezéssel feltárják a hibákat és az anyagok későbbi használatra való alkalmasságát.
Fahibák
A szintetizált anyagokkal szembeni nyilvánvaló előnyök ellenére a fának, mint minden természetes alapanyagnak, megvannak a maga hátrányai. A lézió jelenléte, mértéke és területe szabályozottnormatív dokumentumok. A főbb fahibák a következők:
- vereség, rothadás, gomba és kártevők;
- ferde;
- gyantazsebek;
- csomók;
- repedések.
A csomósodás csökkenti a fa szilárdságát, különösen fontos a számuk, a méretük és a helyük. A csomókat típusokra osztják:
- Egészséges. Szorosan nőjön össze a fa testével, és üljön szilárdan a zsebekben, ne rothadjon.
- Legördülő menü. Az anyag fűrészelése után hámozzon le és essen le.
- Kanos. Sötét színű és sűrűbb szerkezetű a szomszédos fához képest;
- Elsötétült. Csomók a bomlás kezdeti szakaszában.
- Laza – rohadt.
A helytől függően a csomók a következőkre oszlanak:
- varrott;
- karmos;
- benőtt;
- mostohafiak.
A ferde a fa hajlítószilárdságát is csökkenti, és repedések és spirális rétegek jelenléte jellemzi a kerek faanyagban, a fűrészelt anyagban ezek a bordákhoz képest szögben irányulnak. Az ilyen hibával rendelkező termékek alacsony minőségűek, kizárólag ideiglenes erődítményként használják.
A repedések okai a külső körülményektől és a fafajtától függenek. Egyenetlen száradás, fagy, mechanikai igénybevétel és sok más tényező eredményeként keletkeznek. Élő fákon és kivágott fákon egyaránt megjelennek. A törzs helyzetétől és alakjától függően a repedéseket:
- fagyos;
- sernitsa;
- metics;
- zsugorodik.
A repedések nemcsak a fa minőségét rontják, hanem hozzájárulnak a szálak gyors bomlásához és pusztulásához is.
A rothadás a növekvő és kivágott fákon megjelenő rothadó és más típusú gombákkal való fertőzés eredményeként képződik. Az élő törzsön élő gombák élősködőek, amelyek megfertőzik az évgyűrűket és leválnak. Más fajok már a kész szerkezeteken megtelepednek, és bomlást, rétegválást, repedést okoznak.
A károsító szervezetek megjelenésének oka a szaporodásukhoz kedvező környezet: 50% feletti páratartalom és hőség. A jól kiszárított faanyagon nem fejlődnek ki mikroorganizmusok. A kártevők speciális kategóriájába tartoznak azok a rovarok, amelyek előszeretettel telepednek meg a faszerkezetekben, mozognak bennük, ezáltal károsítják a rostokat és csökkentik azok szilárdságát.
A fa nedvessége
A fa normatív és tervezési ellenállásának egyik fontos mutatója. Befolyásolja a víz százalékos arányát a törzs rostjaiban. Nedvesség – a nedvesség tömegének százalékos aránya a száraz anyaghoz viszonyítva. A számítási képlet így néz ki: W=(m–m0)/m0 100, ahol m a munkadarab kezdeti tömege, m 0 - abszolút száraz minta tömege. A nedvességtartalom meghatározása kétféleképpen történik: szárítással és speciális elektronikus nedvességmérőkkel.
A fa nedvességtartalom szerint több típusra oszlik:
- Vizes. Val vel100%-nál nagyobb nedvességtartalom, ami hosszú vízben tartózkodásnak felel meg.
- Frissen vágva. 50 és 100% közötti tartalommal.
- Légszárítás. 15 és 20% közötti rostos víztartalommal.
- Szobaszáraz. 8-12% nedvességtartalommal.
- Teljesen száraz. 0% víztartalommal, 102°-os szárítással kapott.
A víz kötött és szabad formában van a fában. A szabad nedvesség a sejtekben és az intercelluláris térben van, megkötve - kémiai kötések formájában.
A nedvesség hatása a fa tulajdonságaira
A faszerkezet nedvességtartalmától függően többféle tulajdonság létezik:
- A zsugorodás a fapép rostok térfogatának csökkenése, amikor a megkötött vizet eltávolítják belőlük. Minél több szál, annál több nedvesség van a kötött típusban. A nedvesség eltávolítása nem hoz ilyen hatást.
- Vetedés - a fa alakjának változása a száradás során. Akkor fordul elő, ha a rönkök nincsenek megfelelően szárítva vagy fűrészelve.
- Nedvességelnyelés – a fa higroszkópossága vagy a nedvességfelvétel képessége a környezetből.
- Duzzanat – a farostok térfogatának növekedése, ha az anyag nedves környezetben van.
- Vízabszorpció – a fa azon képessége, hogy a csepegő folyadék elnyelésével növelje saját nedvességtartalmát.
- Sűrűség – térfogategységenkénti tömegben mérve. A páratartalom növekedésével a sűrűség nő, és fordítva.
- Permeabilitás – az a képesség, hogy nagy nyomás alatt vizet engedjen át önmagán.
Száradás utána fa elveszti természetes rugalmasságát és merevebbé válik.
Keménység
A keménységi együttható meghatározása Brinell-módszerrel vagy a Yankee-teszttel történik. Alapvető különbségük a mérési technikában van. Brinell szerint egy edzett acélgolyót sík, fa felületre helyeznek, és 100 kilogrammos erőt fejtenek ki rá, majd megmérik a keletkező lyuk mélységét.
A Yankee teszt egy 0,4 hüvelykes labdát használ, és megméri, mekkora erőre van szükség fontban, hogy a golyó átmérőjének felét a fába nyomja. Ennek megfelelően minél magasabb az eredmény, annál keményebb a fa és annál nagyobb az együttható. Ugyanazon a fajtán belül azonban a mutatók különböznek, ami a vágás módjától, páratartalmától és egyéb tényezőktől függ.
Az alábbiakban egy táblázat található a Brinell és Yankee fa keménységéről a leggyakoribb fajokra vonatkozóan.
| Név | Brinell keménység, kg/mm2 | Yankee keménység, font |
| Akác | 7, 1 | |
| Birch | 3 | 1260 |
| karéliai nyír | 3, 5 | 1800 |
| Elm | 3 | 1350 |
| Körte | 4, 2 | |
| Tölgy | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| Sluce | 660 | |
| Hársfa | 400 | |
| Vörösfenyő | 2, 5 | 1200 |
| Éger | 3 | 590 |
| európai dió | 5 | |
| spanyol dió | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Fir | 350-500 | |
| Rowan | 830 | |
| Fenyő | 2, 5 | 380-1240 |
| Cseresznye | 3, 5 | |
| Almafa | 1730 | |
| Ash | 4-4, 1 | 1320 |
A fa keménységi táblázatából látható, hogy:
- nyárfa, lucfenyő, fenyő - nagyon puha fák;
- a nyír, hárs, éger és vörösfenyő puha fák;
- a szil és a dió közepesen kemény;
- tölgy, alma, cseresznye kőris, körte és normál keménységi együtthatóval rendelkeznek;
- a bükk, a sáska és a tiszafa nagyon kemény fajták.
A keményfa tartósmechanikai igénybevételnek, és faszerkezetek kritikus elemeihez használják.
Sűrűség
A sűrűség közvetlenül összefügg a szálak nedvességtartalmával. Ezért a homogén mérési mutatók elérése érdekében 12% -os szintre szárítják. A fa sűrűségének növekedése tömegének és szilárdságának növekedéséhez vezet. A nedvességtartalom szerint a fa több csoportra osztható:
- A legkisebb sűrűségű kőzetek (akár 510 kg/m3). Ide tartozik a fenyő, a fenyő, a lucfenyő, a nyár, a cédrus, a fűz és a dió.
- Közepes sűrűségű vörösek (540-750 kg/m3). Ide tartozik a vörösfenyő, tiszafa, szil, nyír, bükk, körte, tölgy, kőris, berkenye, alma.
- Nagy sűrűségű kőzetek (több mint 750 kg/m3). Ebbe a kategóriába tartozik a nyír és az állomány.
Az alábbiakban egy sűrűségi táblázat látható a különböző fafajokhoz.
| Fajtanév | Kőzetsűrűség, kg/m3 |
| Akác | 830 |
| Birch | 540-700 |
| karéliai nyír | 640-800 |
| Bükk | 650-700 |
| Cseresznye | 490-670 |
| Elm | 670-710 |
| Körte | 690-800 |
| Tölgy | 600-930 |
| Sluce | 400-500 |
| fűz | 460 |
| Cédrus | 580-770 |
| Európai juhar | 530-650 |
| kanadai juhar | 530-720 |
| mezei juhar | 670 |
| Vörösfenyő | 950-1020 |
| Éger | 380-640 |
| Dió | 500-650 |
| Aspen | 360-560 |
| Fir | 350-450 |
| Rowan | 700-810 |
| Lilac | 800 |
| Szilva | 800 |
| Fenyő | 400-500 |
| Nyár | 400-500 |
| Thuya | 340-390 |
| Madárcseresznye | 580-740 |
| Cseresznye | 630 |
| Almafa | 690-720 |
A tűlevelű fajok a legkisebb, míg a lombhullató fajok a legnagyobb sűrűséggel.
Stabilitás
A fa számított ellenállása magában foglalja a stabilitást isnedvességnek való kitettség. A mértéket egy ötfokú skálán mérik, amikor a levegő páratartalma változik:
- Instabilitás. A páratartalom enyhe változása esetén is jelentős deformáció jelentkezik.
- Átlagos stabilitás. A páratartalom enyhe változása mellett észrevehető mértékű deformáció jelentkezik.
- Relatív stabilitás. A páratartalom enyhe változása mellett enyhe deformáció jelentkezik.
- Stabilitás. Nincs látható deformáció a páratartalom enyhe változásával.
- Abszolút stabilitás. Egyáltalán nincs deformáció még nagy páratartalom-változás mellett sem.
Az alábbiakban a gyakori fafajták stabilitási diagramja látható.
| Fajtanév | Stabilitási fok |
| Akác | 2 |
| Birch | 3 |
| karéliai nyír | 3 |
| Bükk | 1 |
| Cseresznye | 4 |
| Elm | 2 |
| Körte | 2 |
| Tölgy | 4 |
| Sluce | 2 |
| Cédrus | 4 |
| Európai juhar | 2 |
| Kanadai juhar | 2 |
| Mezei juhar | 1 |
| Vörösfenyő | 2-3 |
| Éger | 1 |
| amerikai dió | 4 |
| Brazil Dió | 2 |
| Dió | 4 |
| európai dió | 4 |
| spanyol dió | 3 |
| Aspen | 1 |
| Fir | 2 |
| Nyár | 1 |
| Madárcseresznye | 1 |
| Cseresznye | 2 |
| Almafa | 2 |
A számok 12%-os nedvességtartalmú fára vonatkoznak.
Mechanikai jellemzők
A fa minőségét a következő mutatók határozzák meg:
- Kopásállóság – a fa azon képessége, hogy ellenáll a kopásnak a súrlódás során. Az anyag keménységének növekedésével kopása csökken a minta felületén való egyenetlen eloszlással. A fa nedvességtartalma is befolyásolja a kopásállóságot. Minél alacsonyabb, annál nagyobb az ellenállás.
- Deformálhatóság – az alak visszaállításának képessége a ható erők eltűnése után. Amikor a fa összenyomódik,a munkadarab deformációja, amely a terheléssel együtt eltűnik. A deformálhatóság fő mutatója a rugalmasság, amely a fa nedvességtartalmával nő. A fokozatos száradás során a rugalmasság elveszik, ami a deformációval szembeni ellenállás csökkenéséhez vezet.
- Rugalmasság – a fa természetes hajlítóképessége terhelés hatására. A lombhullató fajok jó teljesítményűek, a tűlevelűek kisebb mértékben. Ezek a képességek fontosak a hajlított termékek gyártásánál, amelyeket először megnedvesítenek, majd hajlítanak és szárítanak.
- Ütőszilárdság – az ütési erő elnyelésének képessége fadarabolás nélkül. A tesztelés egy acélgolyóval történik, amelyet magasról a munkadarabra ejtenek. A lombhullató fajták jobb eredményeket mutatnak, mint a tűlevelűek.
Az állandó terhelés fokozatosan rontja a fa tulajdonságait, és az anyag kifáradásához vezet. Még a legtartósabb fa sem képes ellenállni a külső hatásoknak.
Szabályozási előírások
A normatív ellenállás mutatói a különféle típusú szerkezetek gyártásához szükségesek. A fa megfelelőnek tekinthető, ha a mutatók nem alacsonyabbak a számított értékeknél. A vizsgálatok során csak standard mintákat használnak, amelyek nedvességtartalma nem haladja meg a 15%-ot. Eltérő nedvességtartalmú fa esetében a tervezési ellenállás speciális képletét alkalmazzák, majd a mutatókat standard értékekre konvertálják.
A faszerkezetek tervezésekor fontos ismerni az alapanyag tényleges szilárdsági értékeit. A valóságban ezek alacsonyabbak, mint a tesztmintákon kapott normatívak. Referencia adatszabványos méretű minták terhelésével és deformálásával nyerjük.
Tervezési jellemzők
A fa tervezési ellenállása a faminták különböző síkjaiban bizonyos terhelések hatására létrejövő feszültségek, amelyeket a fa bármennyi ideig elvisel, amíg teljesen el nem pusztul. Ezek az adatok a nyújtás, összenyomás, hajlítás, nyírás és zúzás tekintetében különböznek.
A tényleges adatokat úgy kapjuk meg, hogy a normatív adatokat megszorozzuk a munkakörülmények együtthatóival.
| Név | Design faellenállási együttható | ||
| Stressz a rostok mentén | Feszültség a szálak között | Csortolás | |
| Vörösfenyő | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| szibériai cédrus | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| Fenyő | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Fir | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Tölgy | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| juhar, kőris | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Akác | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| Bükk, nyír | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Elm | 1 | 1, 6 | 1 |
| Nyár, éger, nyárfa, hárs | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
A munkakörülményeket számos tényező befolyásolja. A fenti együtthatók figyelembe veszik az ilyen tényezőket. A szerkezeteken lévő nedvességnek való kitettség a végső teljesítmény csökkenését eredményezi.
Következtetés
A faszerkezetek tervezésénél fontos ismerni az építőiparban felhasznált anyagok számított mutatóit. Az egyes csomópontok állandó vagy ideiglenes terhelést szenvednek, ami a teljes pusztulásához vezethet. A GOST-ban és az SNiP-ben meghatározott adatokat standard minták tesztelésével nyertük. A tényleges értékek azonban nagymértékben eltérnek a normatív értékektől. Ezért a számításokhoz a szabványok által megadott képleteket használjuk.
