Projektējot, izstrādājot vai izgatavojot koka konstrukcijas, ir svarīgi zināt materiāla stiprības īpašības - koksnes projektēto pretestību, ko mēra kā vienu kilogramu uz kvadrātcentimetru. Rādītāju izpētei tiek izmantoti standarta izmēru paraugi, zāģēti no vajadzīgās markas dēļiem vai kokmateriāliem, bez ārējiem defektiem, mezgliem un citiem defektiem. Pēc tam paraugam tiek pārbaudīta izturība pret saspiešanu, locīšanu, stiepšanu.
Koksnes veidi
Koks ir daudzpusīgs, viegli apstrādājams materiāls, ko izmanto dažādās ražošanas jomās: celtniecībā, mēbelēs, traukos un citos sadzīves priekšmetos. Pielietojuma joma ir atkarīga no koksnes veida ar dažādām fizikālajām, ķīmiskajām un mehāniskajām īpašībām. Būvniecībā īpaši populāri ir tādi skujkoki kā egle, ciedrs, priede, lapegle, egle. Mazākā mērā lapu koki - bērzs, papele, apse, ozols, lazda, liepa, alksnis, dižskābardis.
Skujkoku šķirnes izmanto apaļkoku, kokmateriālu, dēļu veidā atbalsta pāļu, kopņu, stabu, tiltu, māju, arku, rūpniecisko objektu un citu būvkonstrukciju ražošanai. Cietkoksnes materiāli veido tikai ceturto daļu no kopējā patēriņa. Tas ir saistīts ar cietkoksnes kokmateriālu sliktākajām fizikālajām un mehāniskajām īpašībām, tāpēc tos cenšas izmantot konstrukciju ar zemu nesošo slodzi ražošanā. Parasti tie dodas uz melnraksta un pagaidu objektu mezgliem.
Kokmateriālu izmantošanu būvniecībā reglamentē noteikumi atbilstoši koksnes fizikālajām un mehāniskajām īpašībām. Šīs īpašības ir atkarīgas no mitruma un defektu klātbūtnes. Nesošajiem elementiem mitrums nedrīkst pārsniegt 25%, citiem produktiem šādu prasību nav, taču ir standarti konkrētiem koksnes defektiem.
Ķīmiskais sastāvs
99% koksnes masas ir organiskas vielas. Elementārdaļiņu sastāvs visiem iežiem ir vienāds: slāpeklis, skābeklis, ogleklis un ūdeņradis. Tie veido sarežģītāku molekulu garas ķēdes. Koksne sastāv no:
- Celuloze ir dabisks polimērs ar augstu ķēdes molekulu polimerizācijas pakāpi. Ļoti stabila viela, nešķīst ūdenī, spirtā vai ēterī.
- Lignīns ir aromātisks polimērs ar sarežģītu molekulāro struktūru. Satur lielu daudzumu oglekļa. Pateicoties viņam, parādās koku stumbru lignifikācija.
- Hemiceluloze ir parastās celulozes analogs, bet ar zemāku ķēdes molekulu polimerizācijas pakāpi.
- Ieguvesvielas - sveķi, sveķi, tauki un pektīni.
Augstais sveķu saturs skujkoku kokos saglabā materiālu un ļauj tam ilgstoši saglabāt sākotnējās īpašības, palīdzot pretoties ārējām ietekmēm. Zemas kvalitātes koksnes izstrādājumus ar lielu defektu skaitu galvenokārt izmanto koksnes ķīmiskajā rūpniecībā kā izejvielu papīra, līmētās koksnes ražošanai vai ķīmisko elementu, piemēram, tanīnu, ieguvei, ko izmanto ādas ražošanā.
Izskats
Kokam ir šādas ārējās īpašības:
- Krāsa. Gaismas atstarotās spektrālās kompozīcijas vizuālā uztvere. Svarīgi izvēloties zāģbaļķus kā apdares materiālu.
- Krāsa ir atkarīga no koka vecuma un veida, kā arī no klimatiskajiem apstākļiem, kur tas auga.
- Spīdēt. Spēja atspoguļot gaismu. Augstākais rādītājs ir ozols, osis, akācija.
- Tektūra. Raksts, ko veido stumbra gada gredzeni.
- Mikrostruktūra. Nosaka pēc gredzena platuma un vēlīnās koksnes satura.
Rādītāji tiek izmantoti mežizstrādes kvalitātes ārējā novērtējumā. Vizuāla pārbaude atklāj defektus un materiālu piemērotību turpmākai lietošanai.
Koka defekti
Neskatoties uz acīmredzamajām priekšrocībām salīdzinājumā ar sintezētiem materiāliem, kokam, tāpat kā jebkurai dabiskai izejvielai, ir savi trūkumi. Bojājuma klātbūtne, pakāpe un platība tiek regulētanormatīvie dokumenti. Galvenie koka defekti ir:
- sakāve, puve, sēnītes un kaitēkļi;
- slīps;
- sveķu kabatas;
- mezgli;
- plaisas.
Mezglu veidošanās samazina kokmateriālu izturību, īpaši svarīgs ir to skaits, izmērs un atrašanās vieta. Mezgli ir sadalīti tipos:
- Vesels. Cieši aug kopā ar koka ķermeni un stingri sēdi kabatās, lai nav puves.
- Nolaižamā izvēlne. Pēc materiāla zāģēšanas nolobīties un nokrist.
- Ragveida. Tumšā krāsā un blīvāka struktūra attiecībā pret blakus esošo koksni;
- Aptumšots. Mezgli ar sākotnējo sabrukšanas stadiju.
- Vaļīgi - sapuvis.
Atbilstoši atrašanās vietai mezglus iedala:
- šūts;
- spīlēts;
- aizaudzis;
- padēli.
Slīpums samazina arī koksnes lieces izturību un to raksturo plaisu un spirālveida slāņu klātbūtne apaļajos kokmateriālos, zāģmateriālā tie ir vērsti leņķī pret ribām. Produkti ar šādu defektu ir zemas kvalitātes, tiek izmantoti tikai kā pagaidu nocietinājumi.
Plaisu veidošanās cēloņi ir atkarīgi no ārējiem apstākļiem un koksnes sugām. Tie veidojas nevienmērīgas žūšanas, sala, mehāniskās slodzes un daudzu citu faktoru rezultātā. Tie parādās gan uz dzīviem kokiem, gan uz nozāģētiem kokiem. Atkarībā no stāvokļa uz stumbra un formas plaisas sauc:
- sals;
- sernitsa;
- metics;
- sarukt.
Plaisas ne tikai samazina koksnes kvalitāti, bet arī veicina strauju šķiedru sabrukšanu un iznīcināšanu.
Tuve veidojas inficēšanās rezultātā ar pūšanas un cita veida sēnēm, kas parādās augošajos un cirstos kokos. Sēnes, kas dzīvo uz dzīviem stumbriem, ir parazitāras, kas inficē gada gredzenus un izraisa to lobīšanos. Citas sugas jau nosēžas uz gatavām konstrukcijām un izraisa sabrukšanu, atslāņošanos, plaisāšanu.
Kaitīgo organismu parādīšanās iemesls ir labvēlīga vide to vairošanai: mitrums virs 50% un karstums. Uz labi izžāvētiem kokmateriāliem mikroorganismi neattīstās. Īpašā kaitēkļu kategorijā jāiekļauj kukaiņi, kas dod priekšroku apmesties koka konstrukcijās, izdarot tajās kustības, tādējādi bojājot šķiedras un samazinot to izturību.
Koka mitrums
Viens no būtiskiem koksnes normatīvās un projektēšanas pretestības rādītājiem. Tas ietekmē ūdens procentuālo daudzumu stumbra šķiedrās. Mitrums - mitruma masas procents pret sausu materiālu. Aprēķina formula izskatās šādi: W=(m–m0)/m0 100, kur m ir sagataves sākotnējā masa, m 0 - absolūtā sausā parauga svars. Mitrumu nosaka divos veidos: žāvējot un izmantojot īpašus elektroniskos mitruma mērītājus.
Koksni pēc mitruma satura iedala vairākos veidos:
- Slapjš. Armitruma saturs vairāk nekā 100%, kas atbilst ilgstošai uzturēšanās ūdenī.
- Svaigi piegriezts. Ar saturu no 50 līdz 100%.
- Gaisa žāvē. Ar šķiedrvielu ūdens saturu no 15 līdz 20%.
- Istaba sausa. Ar mitruma saturu no 8 līdz 12%.
- Pilnīgi sauss. Ar 0% ūdens saturu, iegūts, žāvējot 102°.
Ūdens ir kokā saistītā un brīvā formā. Brīvais mitrums atrodas šūnās un starpšūnu telpā, saistīts - ķīmisko saišu veidā.
Mitruma ietekme uz koksnes īpašībām
Ir vairāki īpašību veidi atkarībā no mitruma satura koksnes struktūrā:
- Saraušanās ir koksnes celulozes šķiedru apjoma samazināšanās, kad no tām tiek noņemts saistīts ūdens. Jo vairāk šķiedru, jo vairāk saistītā tipa mitruma. Mitruma noņemšana nedod šādu efektu.
- deformācija - kokmateriālu formas maiņa žūšanas procesā. Rodas, ja baļķi nav pareizi izžāvēti vai sazāģēti.
- Mitruma uzsūkšana - koksnes higroskopiskums vai spēja absorbēt mitrumu no apkārtējās vides.
- Pietūkums - koka šķiedru apjoma palielināšanās, materiālam atrodoties mitrā vidē.
- Ūdens absorbcija - koksnes spēja palielināt mitrumu, absorbējot pilošu šķidrumu.
- Blīvums - mēra kā masu uz tilpuma vienību. Palielinoties mitrumam, palielinās blīvums un otrādi.
- Caurlaidība - spēja izlaist ūdeni caur sevi zem augsta spiediena.
Pēc žāvēšanaskoksne zaudē savu dabisko elastību un kļūst stingrāka.
Cietība
Cietības koeficientu nosaka, izmantojot Brinela metodi vai Yankee testu. To būtiskā atšķirība ir mērīšanas tehnikā. Pēc Brinela teiktā, rūdīta tērauda lodīte tiek novietota uz līdzenas, koka virsmas un tai tiek pielikts 100 kilogramu spēks, pēc kura tiek mērīts izveidotās cauruma dziļums.
Yankee testā tiek izmantota 0,4 collu bumbiņa un tiek mērīts, cik liels spēks mārciņās ir nepieciešams, lai iespiestu lodi kokā pusi diametra. Attiecīgi, jo augstāks rezultāts, jo cietāks koks un lielāks koeficients. Tomēr vienas šķirnes ietvaros rādītāji atšķiras, kas ir atkarīgi no griešanas metodes, mitruma un citiem faktoriem.
Zemāk ir redzama Brinela un Yankee koksnes cietības tabula visbiežāk sastopamajām sugām.
| Vārds | Brinela cietība, kg/mm2 | Jenkiju cietība, mārciņas |
| Akacija | 7, 1 | |
| Bērzs | 3 | 1260 |
| Karēlijas bērzs | 3, 5 | 1800 |
| Goba | 3 | 1350 |
| Bumbieris | 4, 2 | |
| Ozols | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| Egle | 660 | |
| Linden | 400 | |
| Larch | 2, 5 | 1200 |
| Alksnis | 3 | 590 |
| Eiropas valrieksts | 5 | |
| Spāņu valrieksts | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Fir | 350-500 | |
| Pīlādzis | 830 | |
| Pride | 2, 5 | 380-1240 |
| Ķirsis | 3, 5 | |
| Ābele | 1730 | |
| Pelni | 4-4, 1 | 1320 |
No koksnes cietības tabulas var redzēt, ka:
- apse, egle, priede - ļoti mīksti koki;
- bērzs, liepa, alksnis un lapegle ir mīkstās koksnes;
- goba un valrieksts ir vidēji cieti;
- ozols, ābols, ķiršu osis, bumbieris un tiem ir normālas cietības koeficients;
- dižskābardis, sisenis un īve ir ļoti cietas šķirnes.
Cietkoksne ir izturīgapret mehānisko spriegumu un tiek izmantots koka konstrukciju kritiskajām sastāvdaļām.
Blīvums
Blīvums ir tieši saistīts ar šķiedru mitruma saturu. Tāpēc, lai iegūtu viendabīgus mērījumu rādītājus, to žāvē līdz 12% līmenim. Koksnes blīvuma palielināšanās palielina tās masu un izturību. Pēc mitruma kokmateriālus iedala vairākās grupās:
- Zemākā blīvuma ieži (līdz 510 kg/m3). Tajos ietilpst egle, priede, egle, papele, ciedrs, vītols un valrieksts.
- Sarkani ar vidēju blīvumu (diapazonā no 540-750 kg/m3). Tajos ietilpst lapegle, īve, goba, bērzs, dižskābardis, bumbieris, ozols, osis, pīlādži, ābols.
- Ieži ar augstu blīvumu (vairāk nekā 750 kg/m3). Šajā kategorijā ietilpst bērzs un krājas.
Zemāk ir dažādu koku sugu blīvuma tabula.
| Šķirnes nosaukums | Akmeņu blīvums, kg/m3 |
| Akacija | 830 |
| Bērzs | 540-700 |
| Karēlijas bērzs | 640-800 |
| Dižskābardis | 650-700 |
| Ķirsis | 490-670 |
| Goba | 670-710 |
| Bumbieris | 690-800 |
| Ozols | 600-930 |
| Egle | 400-500 |
| vītols | 460 |
| Ciedrs | 580-770 |
| Eiropas kļava | 530-650 |
| Kanādas kļava | 530-720 |
| lauka kļava | 670 |
| Larch | 950-1020 |
| Alksnis | 380-640 |
| Valrieksts | 500-650 |
| Aspen | 360-560 |
| Fir | 350-450 |
| Pīlādzis | 700-810 |
| Ceriņi | 800 |
| Plūme | 800 |
| Pride | 400-500 |
| Papele | 400-500 |
| Thuya | 340-390 |
| Putnu ķirsis | 580-740 |
| Ķirsis | 630 |
| Ābele | 690-720 |
Skujkoku sugām ir vismazākais blīvums, savukārt lapu koku sugām ir vislielākais blīvums.
Stabilitāte
Aprēķinātā koksnes pretestība ietver tādu lietu kā stabilitāte pretmitruma iedarbība. Pakāpe tiek mērīta piecu punktu skalā, mainoties gaisa mitrumam:
- Nestabilitāte. Būtiskas deformācijas parādās pat ar nelielām mitruma izmaiņām.
- Vidēja stabilitāte. Ar nelielām mitruma izmaiņām parādās ievērojama deformācijas pakāpe.
- Relatīvā stabilitāte. Ar nelielām mitruma izmaiņām parādās neliela deformācijas pakāpe.
- Stabilitāte. Nav redzamu deformāciju ar nelielām mitruma izmaiņām.
- Absolūta stabilitāte. Pat ar lielām mitruma izmaiņām nav nekādas deformācijas.
Tālāk ir parādīta izplatītāko koksnes sugu stabilitātes diagramma.
| Šķirnes nosaukums | Stabilitātes pakāpe |
| Akacija | 2 |
| Bērzs | 3 |
| Karēlijas bērzs | 3 |
| Dižskābardis | 1 |
| Ķirsis | 4 |
| Goba | 2 |
| Bumbieris | 2 |
| Ozols | 4 |
| Egle | 2 |
| Ciedrs | 4 |
| Eiropas kļava | 2 |
| Kanādas kļava | 2 |
| Lauku kļava | 1 |
| Larch | 2-3 |
| Alksnis | 1 |
| Amerikāņu valrieksts | 4 |
| Brazīlijas rieksts | 2 |
| Valrieksts | 4 |
| Eiropas valrieksts | 4 |
| Spāņu valrieksts | 3 |
| Aspen | 1 |
| Fir | 2 |
| Papele | 1 |
| Putnu ķirsis | 1 |
| Ķirsis | 2 |
| Ābele | 2 |
Rādītāji ir aprēķināti koksnei ar mitruma saturu 12%.
Mehāniskie parametri
Koksnes kvalitāti nosaka šādi rādītāji:
- Nodilumizturība – koksnes spēja izturēt nodilumu berzes laikā. Palielinoties materiāla cietībai, tā nodilums samazinās ar nevienmērīgu sadalījumu pa parauga virsmu. Arī koksnes mitruma saturs ietekmē nodilumizturību. Jo zemāka tā ir, jo lielāka pretestība.
- Deformējamība - spēja atjaunot formu pēc darbojošos spēku izzušanas. Kad koks ir saspiests,sagataves deformācija, kas pazūd līdz ar slodzi. Galvenais deformējamības rādītājs ir elastība, kas palielinās līdz ar koksnes mitruma saturu. Pakāpeniski žūstot, tiek zaudēta elastība, kas noved pie deformācijas pretestības samazināšanās.
- Elastība - koka dabiskā spēja locīties slodzes ietekmē. Lapu koku sugām ir labs sniegums, skujkokiem mazākā mērā. Šīs spējas ir svarīgas liektu izstrādājumu ražošanā, kurus vispirms samitrina, pēc tam liek un žāvē.
- Triecienizturība - spēja absorbēt trieciena spēku, nešķeldot koksni. Pārbaude tiek veikta, izmantojot tērauda lodi, kas tiek nomesta uz sagataves no augstuma. Lapu koku šķirnes uzrāda labākus rezultātus nekā skujkoki.
Pastāvīgas slodzes pakāpeniski pasliktina koksnes īpašības un noved pie materiāla noguruma. Pat visizturīgākais koks nespēj izturēt ārēju ietekmi.
Reglamentējošās specifikācijas
Normatīvās pretestības rādītāji ir nepieciešami dažāda veida konstrukciju izgatavošanai. Koksne tiek uzskatīta par piemērotu, ja rādītāji nav zemāki par aprēķinātajām vērtībām. Pārbaudēs izmanto tikai standarta paraugus ar mitruma saturu ne vairāk kā 15%. Koksnei ar atšķirīgu mitruma vērtību tiek izmantota īpaša konstrukcijas pretestības formula, pēc tam rādītāji tiek pārvērsti standarta vērtībās.
Projektējot koka konstrukcijas, ir svarīgi zināt izejmateriāla faktiskās stiprības vērtības. Reāli tie ir mazāki par normatīvajiem, kas iegūti uz pārbaudes paraugiem. Atsauces datiiegūts, noslogojot un deformējot standarta izmēru paraugus.
Dizaina īpašības
Koksnes projektētā pretestība ir spriegumi dažādās koka paraugu plaknēs, ko rada noteiktas slodzes, kuras koks var izturēt jebkādu laiku līdz pilnīgai iznīcināšanai. Šie skaitļi atšķiras stiepšanai, saspiešanai, locīšanai, griešanai un drupināšanai.
Faktiskie skaitļi iegūti, reizinot normatīvos datus ar darba apstākļu koeficientiem.
| Vārds | Dizaina koksnes pretestības koeficients | ||
| Stress gar šķiedrām | Spriegums pāri šķiedrām | Čipošana | |
| Larch | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| Sibīrijas ciedrs | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| Pride | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Fir | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Ozols | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| Kļava, osis | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Akacija | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| Dižskābardis, bērzs | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Goba | 1 | 1, 6 | 1 |
| Papele, alksnis, apse, liepa | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
Darba apstākļus ietekmē vesels faktoru saraksts. Iepriekš minētie koeficienti ņem vērā šādus faktorus. Jebkura mitruma iedarbība uz konstrukcijām samazina galīgo veiktspēju.
Secinājums
Projektējot koka konstrukcijas, svarīgi zināt būvniecībā izmantoto materiālu aprēķinātos rādītājus. Atsevišķi mezgli piedzīvos pastāvīgas vai īslaicīgas slodzes, kas var izraisīt to pilnīgu iznīcināšanu. GOST un SNiP norādītie dati tika iegūti, pārbaudot standarta paraugus. Tomēr faktiskās vērtības ievērojami atšķirsies no normatīvajām. Tāpēc aprēķiniem tiek izmantotas standartos sniegtās formulas.
