LASTNOSTI LESA

Les je naraven material, ki ga pridobivamo iz dreves. Ima številne lastnosti, ki ga naredijo zelo uporabnega v številnih industrijah, vključno z gradbeništvom, pohištvom, papirjem in drugimi.

Fizikalne lastnosti lesa vključujejo:

  1. Gostota: Gostota lesa se razlikuje glede na vrsto drevesa. Gostota vpliva na težo lesa ter na njegovo trdnost in trpežnost.

  2. Vlažnost: Les vsebuje vlago, ki vpliva na njegove lastnosti. Prekomerna vlažnost lahko privede do deformacij in gnilobe.

  3. Toplotna prevodnost: Les je slab toplotni prevodnik, kar pomeni, da je dober izolator.

  4. Akustične lastnosti: Les je znan po svojih odličnih akustičnih lastnostih, zaradi česar je priljubljen material za izdelavo glasbenih instrumentov.

  5. Optične lastnosti: Les ima edinstveno teksturo in barvo, ki jo določa vrsta drevesa. To daje lesu estetsko vrednost.

  6. Biološka odpornost: Les se razlikuje po svoji odpornosti na glive, žuželke in druge biološke dejavnike. Nekatere vrste lesa so naravno odporne, druge pa je potrebno zaščititi.

  7. Higroskopnost: Les je higroskopen material, kar pomeni, da absorbira in sprošča vlago iz okolja, kar lahko vpliva na njegovo velikost in obliko.

Mehanske lastnosti lesa vključujejo:

  1. Trdnost: Les je material, ki lahko prenese velike obremenitve. Trdnost lesa se lahko razlikuje glede na vrsto drevesa iz katerega je bil pridobljen.

  2. Elastičnost: Les je elastičen material, kar pomeni, da se lahko upogne, ne da bi se zlomil. Elastičnost lesa je koristna lastnost pri izdelavi pohištva ali drugega oblikovanja.

  3. Togost: Les se upira spremembam oblike, ko je podvržen obremenitvi. Togost lesa je pomembna pri gradnji stavb in drugih struktur.

  4. Odpornost proti obrabi: Les je odporen na obrabo, kar pomeni, da se ne obrabi ali poškoduje enostavno.

FIZIKALNE LASTNOSTI LESA

  • močno odvisne od same vrste
  • nihanja pri isti vrsti

  • napake v lesu

  • gostota (delež kasnega lesa -> trdota, trdnost)
  • vlažnost lesa (bolj suh boljša trdnost) temperatura (plastične deformacije lignina -> namjša trdnost)

VLAŽNOST LESA

Vlažnost lesa izračunamo:

\(U = \frac{m_v}{m_0}\){#eq:vlaznost_lesa}

kjer je:

  • $u$ = vlažnost lesa v [%]
  • $m_v$ = masa vode
  • $m_0$ = masa abs. suhega lesa

Podatek $u = 15 \%$ pomeni, da 100 g absolutno suhega lesa vsebuje 15 g vode.

Prosta in vezana voda

Prosta in vezana voda.{#fig:prosta_vezana_voda}

  • vezana voda je v celičnih stenah
  • prosta voda je v celičnih lumnih
  • ko v lumnih ni vode:
    • TNCS: točka nasičenosti celičnih sten
    • VPLIV na krčenje lesa!

Krlčenje lesa

  • le kadar se spremeni % vode v celičnih stenah
  • krčenj je odvisna od smeri krčenja,
  • maksimalni skrčki glede na smer so:
    • vzdolž vlaken $\beta_l = 0.3\ ..\ 0.6\%$
    • v radialni smeri $\beta_r = 3\ ..\ 6\%$
    • v tangencialni smeri $\beta_t = 6\ ..\ 12\%$

Maksimalni skrčki lesa.{#fig:skrcki_lesa}

Kos lesa bi se skrčil za maksimalno dolžino $\Delta L_{max}$, če bi se posušil iz lesne vlažnosti $u=30\%$ na absolutno suh les $u=0\%$.

  • MAKSIMALNI SKRČEK:

\(\Delta L_{max} = \beta\ L_{u30}\){#eq:max_skrcek}

Ker se lesni izdelki ne posušijo do absolutno suhega lesa, vendar le do neke ravnovesne vlažnosti, moramo izračunati delni odstotek krčenja $\beta_{\Delta u}$.

  • DELNI ODSTOTEK KRČENJA

\(\beta_{\Delta u} = \frac{\beta\ \Delta u}{30 \%}\){#eq:delni_skrcek}

kjer je:

  • $\beta_{\Delta u}$ = delni odstotek krčenja
  • $\Delta u$ = razlika vlažnosti (le v območju 30%)

Tako lahko izračunamo dejansko dolžino krčenja, ki je odvisna od same vrste lesa (različni maksimalni skrčki $\beta$), od smeri krčenja ($\beta_r, \beta_t, \beta_l$), od spremenjene lesne vlažnosti $\Delta u$ in od dolžine izdelka $L$.

  • DEJANSKI SKRČEK

\(\Delta L_{\Delta u} = \beta_{\Delta u} L\){#eq:dejanski_skrcek}

NALOGA: Izračunaj končne dimenzije izdelka po sušenju

Bukova gredica š = 80.0 mm, d = 40.0 mm, l = 2.500 m, z vlažnostjo 40%, posušimo na 10%. Izračunaj dimenzije po sušenju. (73.7 mm × 38.5 mm × 2495 mm)

Skica gredice z dimenzijami{#fig:gredica_80x40x2500}

Nepravilnosti zaradi krčenja

Nepravilnosti pri sušenju lesa.{#fig:nepravilnosti_susenje}

  • stržen se precej manj krči kot oddaljen tangencialni les
  • bočnica se ukrivi na način, da se bolj tangencialni les skrči bolj
  • kvadravtni presek (letnice diagonalno) se posuši v rombasto obliko preseka

Ukrepi za zmanjševanje posledic krčenja

  • ustrezna vrsta lesa
  • ustrezna osušenost lesa pri obdelavi

Primerna vlažnost lesa.{#fig:primerna_vlaznost_lesa}

  • premazi zavirajo prehajanje vode
  • konstrukcijske vezi namesto lepljenih spojev
  • pravilno širinsko spajamo

Primerno širinsko spajanje.{#fig:sirinsko_spajanje}

Primerno debelinsko spajanje.{#fig:debelinsko_spajanje}

MEHANSKE LASTNOSTI LESA

TRDOTA LESA

Trdota je odpor, s katerim se les upira prodiranju tujega telesa vanj.

  • zabijanje žeblja v les
  • odrezovanje

Princip merjenja trdote lesa.{#fig:brinell_hardness}

  • po Brinellu (oznaka HB)

Jekleno kroglico z določenim premerom in določeno silo potisnemo v les. Trdota je razmerje med uporabljeno silo in vtisnjeno površino. Naprimer pri HBW(10,3000) se uporablja kroglica s premerom 10mm, potisna sila pa ustreza masi 3000 kg uteži.

\(HBW = \frac{F}{A} = \frac{F}{\frac{\pi D(D-\sqrt{D^2-d^2)}}{2}}\){#eq:brinell_hardness}

kjer je:

  • F - sile pritiska
  • D - premer kroglice
  • d - premer odtisa

Primer meritve trdote lesa po Brinellu HBW(10,3000) na primeru beljave pecljatega hrasta in javorja.{#fig:harness_example}

(file:///home/david/Downloads/forests-11-00878-v2.pdf)

| Lesna vrsta | Trdota po Brinellu - HBW [GPa] | |—————:|:——————————:| | Bor | 2,2 | | Brest | 3,9 | | Breza | 2,7 | | Bukev parjena | 4,0 | | Češnja | 2,9 | | Hrast | 3,7 | | Hruška | 2,4 | | Javor evropski | 3,7 | | Javor kanadski | 4,2 | | Jelša | 2,1 | | Jesen | 3,8 | | Kostanj | 2,3 | | Macesen | 2,5 | | Oreh | 3,5 | | Smreka | 1,3 | Table: Trdota različnih lesnih vrst po Brinellu HBW(10, 3000). {#tbl:trdota_HBW}

TRDNOST LESA

Trdnost materiala (lesa) je sposobnost, da se upira spremembi oblike in porušitvi zaradi delovanja zunanjih sil. Kadar trdno telo obremenimo z zunanjo silo, se upira spremembi tako, da v telesu nastanejo napetosti.

\(\sigma = \frac{F}{A}\){#eq:napetost}

Kjer je :

  • $\sigma$ - natezna, tlačna, … napetost [MPa = N/mm²]
  • $F$ - sila, ki deluje pri obremenitvi [N]
  • $A$ - površina, na kateri se ustvarja napetost

Pri obremenjevanju izdelkov lahko zaznamo deformacije izdelka v določenih smereh. Spremembe dimenzij $\Delta l$ pogosto predstavimo v relativni obliki s specifičnim raztezkom:

\(\epsilon = \frac{\Delta l}{l_0}\){#eq:spec_raztezek}

Kjer je:

  • $\epsilon$ - specifični (ali relativni) raztezek
  • $\Delta l$ - raztezek
  • $l_0$ - prvotna dimenzija

Obremenilna napetost in raztezek sta premosorazmerna in jih povezuje elastični modul $E$.

\(\sigma = E\ \epsilon = E\ \frac{\Delta l}{l_0}\){#eq:elas_modul}

Vrste obremenitev:

  • Tlačna
  • Natezna
  • Strižna
  • Upogibna
  • Torzijska
  • Uklonska

DOPUSTNA NAPETOST

Materialov ne smemo obremeniti do njihove maksimalne napetosti, obremenimo jih le do dopustne napetosti, ki se vedno nahaja v območju elastičnih deformacij. Tako izkoristimo le del njihove trdnosti. Dopustno napetost določajo predpisi in standardi. Izračunamo jo s pomočjo varnostnega količnika. Varnostni količnik je razmerje med največjo napetostjo v materialu ($\sigma_{max}$) in dopustno napetostjo ($\sigma_{dop}$). Pri lesnih konstrukcijah lahko znaša varnostni količnik (varnostno število ) od 2 do 15, odvisno od namena konstrukcije, vrste obremenitve in drugih vplivov.
(Leban, 2004)

\(\sigma_{dop} = \frac{\sigma_{max}}{k_v}\){#eq:sigma_dop}

| les | smer | Nateg[MPa] | Tlak[MPa] | Upogib[MPa] | Strig[MPa] | Mod. Ealst.[MPa] | |:—————–:|:—-:|:———-:|:———:|:———–:|:———-:|:—————-:| | Smreka, Jelka,Bor | ll | 10 | 11 | 13 | 0.9 | 12000 | | | T | - | 2 | - | 0.9 | 460 | | Hrast,Bukev | ll | 11 | 12 | 14 | 1.2 | 13000 | | | T | - | 3 | - | 1.2 | 1000 | Table: Dopustne napetosti za nekatere vrste lesa v MPa. {#tbl:sigma_dop_tab}

NATEZNA IN TLAČNA TRDNOST LESA

raztezek:
\(\epsilon = \frac{\Delta l}{l_0} = \frac{l_1 - l_0}{l_0}\){#eq:raztezek}

  • $\epsilon$ - specifični raztezek
  • $\Delta l$ - dejanski raztezek
  • $l_1$ - nova dolžina
  • $l_0$ - prvotna dolžina

Ob tej deformaciji se ustvarijo napetosti:

\(\sigma = E \frac{\Delta l}{l_0}\){#eq:napetost_nateg}

  • $\sigma$ - napetost
  • $E$ - modul elastičnosti
  • $\epsilon$ - specifični raztezek
  • $\Delta l$ - raztezek
  • $l_0$ - prvotna dolžina

Primer: smrekovina 8cm x 8cm, dolžine 1,8m ; natezna sila 45 kN.

  • Dejanska napetost?
  • Kolikšen je raztezek?

(Odgovor: $\sigma = 7.03 MPa$; Ne,$\sigma_{dop}=10 MPa$;$\Delta l = 1.05 mm$)

STRIŽNA TRDNOST

Strižna trdnost je odpor lesa proti strigu lesnih plasti s silo, ki deluje v ravnini lesnih vlaken ali redko, prečno na lesna vlakna.

  • prečno na vlakna : čepna vez

  • vzdolž vlaken : poševnik v legi nadstreška

  • strižna napetost

\(\tau = \frac{F}{A}\){#eq:strig}

Enojna zarezna čepna vez iz smrekovega lesa je obremenjena s silo 1 500 N. Čep je visok 80 mm. Določite najmanjšo dopustno širino čepa. ( R: $\tau_{dop}$ = 90 N/cm2, Scel = 16,66 cm2, b = 2 cm )

Naložena polica tehta 70 kg. Mozničili smo jo z bukovimi mozniki premera 8 mm. Izračunajte koliko moznikov smo uporabili pri izdelavi konstrukcije. ( R: $\tau_{dop}$ = 120 N/cm2, S1 = 50,265 mm2, k = 1, Scel = 5,83 cm2, N = 12 )

UPOGIBNA TRDNOST

Upogibna trdnost je odpor lesnega nosilca med oporama proti maksimalni sili, ki deluje pravokotno na os nosilca.

Upogibna trdnost.{#fig:upogibna_trdnost}

Pri dimenzioniranju na upogib upoštevamo samo največji, maksimalni upogibni moment, saj tam nastopijo največje napetosti.

\(\sigma_U = \frac{M_{max}}{W_x}\){#eq:napetosti_upogib}

  • $\sigma_U$ - mehanska napetost v nosilcu
  • $M_{max}$ - največji navor, ki ga povzroča mehanska obremenitev na nosilec
  • $W_x$ - odpornostni moment nosilca (odvisen od oblike prereza nosilca)
Prerez nosilca Vztrajnostni moment Odpornostni moment
kvadratni $I_x = \frac{a^4}{12}$ $W_x=\frac{a^3}{6}$
pravokotni $I_x = \frac{b\ h^3}{12}$ $W_x=\frac{b\ h^2}{6}$
okrogli $I_x=\frac{\pi\ d^4}{64}$ $W_x=\frac{\pi\ d^3}{32}$

Table: Vztrajnostni in odpornostmi momenti za različne prereze nosilcev. Kjer je: a - dolžina stranice kvadratnega, b - širina in h - višina pravokotnega ter d - premer okroglega prereza. {#tbl:momenti_presekov}

Poves in napetosti v nosilcu pri različnih obremenitvah.{#fig:nosilci}

  • $f$ - poves
  • $F$ - sila obremenitve
  • $L$ - dolžina nosilca
  • $E$ - elastični modul
  • $I_X$ - vztrajnostni moment v vodoravni smeri
  • $\sigma_U$ - upogibna napetost v nosilcu

Izračunajte s kakšno silo lahko obremenite prostoležeči nosilec iz smrekovega lesa 1 kategorije. Dolžina nosilca je 4 m, širina je 16 cm, višina je 20 cm. Sila deluje na nosilec v sredini. ( R: $\sigma$ = 1 300 N/cm2 , Wx = 1 066,66 cm3 , Mmax = 13 866,66 Nm, F = 13,8 kN )

Dimenzionirajte pravokotni prerez hrastovega trama dolžine 4 m. To je prostoležeči nosilec, ki je po celi dolžini obremenjen z zvezno obremenitvijo 1800 N/m. Stranici b in h sta v razmerju 7:5. Dopustna upogibna napetost je 1400 N/mm2 , elastični modul pa je 12 500 MPa. Izračunajte tudi poves hrastovega nosilca. ( R: Mmax = 3600 Nm, Wx = 257 142,8 mm³ , b = 92,3 mm = 93 mm, h = 129,26 mm = 130 mm, IX = 17 026 750 $mm^4$ , f = 28,2 mm )

Kakšno je najugodnejše razmerje stranic nosilca, ki je obremenjen na upogibi in ga moramo izrezati iz debla z okroglim presekom? V praksi se pogosto uporablja razmerje 5:7, ali lahko potrdiš, da je to res najučinkoviteje.

UKLONSKA TRDNOST

Vitkost:

$\lambda = \frac{l_0}{i}$

  • prvotna dolžina
  • i - vztrajnostni polmer, ki ga izračunamo iz vztrajnostnega momenta in prereza na katerega sila deluje:
\[i=\sqrt{\frac{I_{min}}{A}}\]

Večja ko je vitkost, večja je nevarnost uklona. Uklonsko kritično napetost določamo po treh različnih postopkih, v odvisnosti od vitkosti.

  1. $\lambda \leq 60$ dimenzioniranje na čisti tlak
  2. … kombinacija obremenitve na tlak in uklon
  3. $\lambda \geq 100$ - dimenzioniranje po Eulerjevem postopku
Eulerjev postopek

uklonska sila

\[F_k = \frac{\pi^2 E I_{min}}{l_0^2}\]

uklonska napetost

\[\sigma_k = \frac{F_k}{A}\]

dopustna sila

\[F_{dop} = \frac{F_k}{k_v}\]
  • $k_v = 10 (les)$

Smrekov steber pravokotnega prereza je na eni strani vpet členkasto na drugi pa trdo. Dolžina stebra je 5 m. Obremenjen je s silo 45 kN.

Izračunajte dimenziji stranic pravokotnika, če sta v razmerju 2 :3. Varnostni faktor je 10. ( R: l0 = 4 000 mm, Imin = 72 951 252 mm4 , b = 155,4 mm, h = 233,14 mm, i = 44,87 mm, $\lambda$ = 111,4 zato lahko dimenzioniramo po Eulerju. )

CEPILNA TRDNOST

Cepljivost je lastnost lesa, da se cepi ali razdvaja vzdolžno (v smeri lesnih vlaken ). Les navadno cepimo z orodjem v obliki

Izogibanje cepilnosti pri vijačenju.{#fig:cepljenje_vijaki}

Izogibanje cepilnosti pri žebljanju.{#fig:necepljenje_zeblji}