Prüfung von Holz

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Holz ist eine allgegenwärtige Material, das im Bau von den frühesten Zeiten verwendet worden ist. Holz ist eine erneuerbare, nachhaltige Werkstoff mit hohem ästhetischen Wert. Heute gibt es wahrscheinlich mehr Bauten mit Holz als jedes andere strukturelle Material. Viele dieser Gebäude sind Einfamilien-Häuser, aber viele größere Mehrfamilienhäuser sowie gewerbliche und industrielle Gebäude, auch Holzrahmen.

Die weit verbreitete Verwendung von Holz im Bauwesen hat Berufung gegen eine wirtschaftliche und ästhetische Grundlage. Die Fähigkeit, Holzbauten mit einem Minimum an Ausrüstung hat die Kosten der Woodframe Gebäude im Wettbewerb mit anderen Arten des Aufbaus gehalten. Auf der anderen Seite, ist wo architektonische Überlegungen sind wichtig, die Schönheit und Wärme des freigelegten Holzes schwierig, mit anderen Materialien entsprechen.

Dieses Experiment zielen darauf ab, zur Durchführung von Zug- und Druckspannungen Tests auf drei Arten von Holz, ihre Spannungs-Dehnungs-Verhalten zu untersuchen, und eine vier-Punkt-Biegeversuch auf einen Holzbalken zu prüfen, seine Biege-Leistung durchzuführen. In einem vier-Punkt-Biegeversuch wird ein gelenkig Strahl mit zwei gleich Punktlasten auf seiner dritten Punkte, was in einen zentralen Teil mit Konstanten Moment und NULL Scherung geladen. Dies ist ein wichtiger Test, weil Holz Strukturelemente oft in Bodensysteme verwendet werden und sind somit in erster Linie durch Biegen betont geladen.

Holz besteht aus länglichen, runden oder rechteckigen röhrenförmigen Zellen. Diese Zellen sind wesentlich länger (2-4 mm), als sie sind breit (20-40 μm), mit der Länge der Zellen, die oft im Zusammenhang mit der Länge des Baumes. Zellwände bestehen aus Zellulose (ein Polymer), mit Polymeren Ketten ausgerichtet in verschiedene Richtungen in den einzelnen Schichten, die die Zellwand zu bilden. Die Mittelwand bietet mit seinen Ketten entlang der längeren Dimension der Zelle, die Kraft auf die Zelle während der inneren und äußeren Wand Diagonale Ketten Stabilität bieten. Die Struktur der Zellwand ist teilkristallinen, mit kristallinen Strukturen von 30-60 µm Länge, gefolgt von kurzen amorphe Abschnitte. Die Ketten und die Zellen sind durch ein Material bekannt als Lignin gebunden. Jede Zelle ist relativ schwach, aber die Bündelung Wirkung vieler Zellen zusammen von der Lignin resultiert eine sehr starke und nützliche Baumaterial zur Verfügung gestellt. Eine gute Analogie hierfür ist der Widerstand von einem einzigen trinken Stroh gegen das viele Strohhalme geklebt oder miteinander verbunden.

Die schiere Tatsache, dass Holz ein biologisches Material macht es sehr anfällig für ökologischen Verfall und Angriff durch Schädlinge, wenn es der Witterung ausgesetzt ist. Somit ist ein Großteil der heute verwendete Holz mit Chemikalien zum Schutz vor der Umwelt und Insektenbefall vorbehandelt. Holz ist ein biologisches Material bedeutet auch, dass gibt es große Unterschiede in den technischen Eigenschaften zwischen Holzstücke, sogar innerhalb der gleichen Baumarten. Eine große Anzahl von Unvollkommenheiten werden unweigerlich vorhanden, wodurch eine inhomogene Material Holz. Diese Mängel sind das Ergebnis von Knoten, wo ein Teil einer Niederlassung oder Gliedmaßen in den Hauptteil des Baumes aufgenommen wurde. Daher werden große Sicherheitsfaktoren oder Verhältnisse der Designstärke, tatsächliche Zugfestigkeit im Holzdesign. Typische Werte für Sicherheitsfaktoren aus Holz sind 2,5 für Mitglieder beim Biegen und bemessungsnormen sind kalibriert, so dass 99 % der Mitglieder mindestens 1,25 Sicherheitsfaktor müssen.

Die zelluläre Zusammensetzung der Holz macht es eine orthotrope Material. So werden die Eigenschaften anders, wenn das Material parallel oder senkrecht zur langen Seite der Zellen geladen wird. Diese Eigenschaft bedeutet, dass die üblichen Theorie der Elastizität nicht direkt verwendet, da das Material nicht Isotrop (gleiche Eigenschaften in allen drei Raumrichtungen) ist aber orthotropen (unterschiedliche Eigenschaften in zwei Richtungen: längs und quer zur längeren Zelle Richtung). Die zelluläre Zusammensetzung bedeutet auch, dass der Feuchtigkeitsgehalt des Holzes ein wichtiger Parameter ist bei der Bestimmung seiner Stärke. Beides wäre zu komplex für den Einsatz in alltagsdesign, so dass das Design des Holzes für strukturelle Zwecke auf lineare Theorie und zulässigen Spannungen durch die folgende Vorgehensweise festgelegt basiert:

1. Eine statistische Analyse von einer Vielzahl der ultimative Clearwood (oder mangelfrei) Festigkeitswerte für verschiedene Nutztierarten erfolgt. Die Nennspannungen basieren auf 95 % der Werte, die größer und 5 % niedriger als die nominale Bruchgrenze.
2. Die Werte werden auf Konto für den Feuchtigkeitsgehalt, korrigiert, da dieser Faktor stark die meisten technische Eigenschaften des Holzes beeinflusst. Die Feuchtigkeit im Holz besteht hauptsächlich aus freiem Wasser in den Hohlräumen der Zelle und Wasser in den Zellwänden gebunden. Wenn Holz getrocknet ist, ist es leicht, freies Wasser zu entfernen, aber viel schwieriger, gebundenes Wasser zu entfernen. Der Feuchtigkeitsgehalt auf die Wasser beginnt aus der Zellwand entfernt werden wird die Faser Sättigungspunkt (FSP) genannt. Im allgemeinen führen Verringerung der Feuchtigkeit Zuwächse an Kraft, zumal die der FSP unterschritten. Holz im grünen Zustand (oder frisch geschnittenen) haben einen großen Feuchtigkeit-Inhalt (über 100 % für Arten wie Balsa) und startet nicht, erhebliche Stärke zu gewinnen, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter der FSP fällt die reicht von 22 % bis 30 % bei den meisten Arten. Holz wird als befestigten grün (oder wurden im nassen Zustand geschnitten) wird der Feuchtigkeitsgehalt über 19 % und befestigten trocken wenn unter diesem Grenzwert. Luftgetrocknetes Holz haben einen Feuchtigkeitsgehalt von ca. 12-15 %, während Brennofen getrocknet Holz liegt unter 10 %. Holz ist nur Brennofen getrocknet, bei Bedarf für spezielle Anwendungen wie Möbel; Lufttrocknung ist häufigste strukturelle Anwendungen ausreichend.
3. Stärke-Verhältnisse werden weiter verwendet, um Clearwood Werte anpassen um die Strengthreducing Mängel zulässig, in einem bestimmten Stress Grade Rechnung zu tragen. Stress-Klasse, eine Maßnahme der technischen Qualität des Holzes, werden in der Regel zugewiesen basierend auf eine schnelle Sichtkontrolle oder von der Biegung in der Fertigungslinie ausgeführten Tests. Im letzteren Fall die Steifigkeit ist proportional zur Elastizitätsmoduls und korreliert, dann Stärke. Die Eigenschaften, die häufig gegeben für die meisten Hölzer sind zulässige Biegespannung (F_b), horizontale Scherung (F_V) parallel zum Korn (F_c) Kompression, Kompression senkrecht zum Korn (F-_c) und der Elastizitätsmodul (E). Zusätzlich zu den grundlegenden Orientierung-spezifische Eigenschaften von einer Spezies von Holz sollte es offensichtlich sein, dass nicht alle Hölzer unter Last dasselbe Verhalten. Weichere Hölzer wie Fichte, Kiefer oder Tanne, sind relativ preiswert und daher überwiegend für strukturelle Zwecke in Lichtrahmen Strukturen verwendet werden. Härtere Hölzer wie Eiche oder Hickory, haben eine unterschiedliche Wachstumsrate und Muster, so dass die Wälder schwieriger zu ergänzen und auch überlegene Eigenschaften für bestimmte Anwendungen im Bauwesen.

Es ist wichtig zu beachten, dass große Volumetrische Änderungen mit Verringerung der Feuchtigkeit-Inhalt verknüpft sind. Die Schrumpfung, die Ergebnisse vor dem Austrocknen ist auch nicht einheitlich. Zum Beispiel für Douglasie, radiale Schwindung ist 4,8 %, tangentiale Schrumpfung ist 7,6 % und die volumetrische Schrumpfung beträgt 12,4 %. Da Holz ein polymerer Werkstoff ist, ist es auch anfällig für kriechen, oder laden Sie zu einer kontinuierlichen Viskose-ähnliche Verformung unter ständiger. Infolgedessen kann Holz in der Regel viel höheren Belastungen unterstützen, wenn die Dauer der Belastung kurz ist. Ein Belastungsfaktor für die Dauer wird verwendet, um dieses Verhalten zu berücksichtigen. Wenn die Last Dauer kurz, wie 10 Minuten oder weniger sind, für der Fall von Erdbeben Lasten und großen Wind Stürme, die Design-Werte von 1,6 multipliziert werden kann, weil der Lasteinwirkungsdauer kurz genug ist, dass kein nennenswerter kriechen auftreten kann.

Andere Korrekturfaktoren, die allgemein verwendet sind den Größenfaktor, der sich wiederholenden Mitglied Faktor und der Formfaktor. Der Größenfaktor entfallen die Tatsache, die meiste Holz erstellten Daten aus flachen Strahl testet, weniger als 12 Zoll in der Tiefe, und es ist bekannt, dass die durchschnittliche Stärke der Größe des Mitglieds steigt aufgrund des Vorhandenseins von Mängeln (die so genannte Größe abnimmt EFFect). Die sich wiederholende Faktor wird verwendet, um die Tatsache berücksichtigen, dass Holz Mitglieder in unmittelbarer Nähe zueinander häufig kommen und miteinander durch Boden-Membranen und Sammler, verbunden sind so dass der Schwäche oder Fehler eines einzelnen Mitglieds nicht zu einer unverhältnismäßigen führt reduzieren (z.B. Ausfälle werden lokalisiert werden). Schließlich wirkt sich das Seitenverhältnis (Tiefe/Dicke) eines Mitglieds auch Testergebnisse. All diese Korrekturfaktoren sind im Grunde empirische, aber gerechtfertigt basierend auf Statistiken von Labor-Testergebnisse und Leistung Erfahrung auf dem Gebiet.

Die orthotropen Eigenschaften von Holz können verbessert werden, indem man Laminate wie Sperrholz, wo Schichten mit Fasern in der senkrechten Richtungen führen ein isotropes Material ausgerichtet. In ähnlicher Weise Mitglieder gemacht der dünne Streifen von Fasern in der gleichen Richtung ausgerichtet und unter Druck, geklebt oder Leim laminierten (BSH), daraus, dass ihre Stärke Mängel zu verteilen.

Druckversuch

1. Erhalten Sie Nominal 3-1/2" Kompression Cube Proben von drei verschiedenen Hölzern (südliche Kiefer, Fichte und Eiche zum Beispiel). Die Würfel sollte können aus einem 4 x 4 Abschnitt geschnitten werden jedoch klar Holz. Stellen Sie sicher, dass die Oberflächen parallel zueinander sein sollen. Eine Reihe von Proben mit der aufgebrachten Last Parallel zur Faser getestet werden sollte, und die andere Gruppe von Proben sollte mit der aufgebrachten Last senkrecht zur Faser getestet werden. Die Anzahl der Test-Wiederholungen innerhalb eines Satzes richtet sich nach der gewünschten Vertrauensgrenzen. Nur ein Test pro Satz wird wie seine Ziele sind die Techniken zeigen und nicht zu großen robuste Datensätze für Konstruktion entwickeln als Bestandteil dieses Labor ausgeführt werden.
2. Messen Sie die Querschnittsmaßen (Breite und Dicke) von jedem Prüfling, der nächste 0,002 Zoll mit einem Bremssattel. Die Gesamtlänge (in Richtung der Belastung) für die Kompression Proben zu messen. Wie die Proben leicht in Dimensionen in ihrer Länge variieren, mehrere Messen und Aufzeichnen des ungefähren Durchschnitts für jede gemessene Dimension.
3. Nach dem Einrichten der Universalprüfmaschine (siehe erstes Manuskript zu dieser Serie: Materialien Konstanten), sorgfältig zentrieren Sie die Probe auf die Kompression Auflagefläche und die Traverse zu senken, bis eine leichte Last angewendet wird. Verwenden Sie die feine Steuerelemente, um die Last zurück zu möglichst nahe Null wie möglich.
4. Gelten Sie die Druckbelastung langsam mit einer raumbelastung zwischen 20 Psi bis 50 Psi pro Sekunde.
5. Der Kompressionstest kann für einige Minuten mit der Last stetig und mit erheblichen Belastungen in der Probe gesehen weiter. Bis eine maximale Last natürlich fortführen Sie den Test.
6. Die maximale Belastung vom Bildschirm aufzeichnen.
7. Wiederholen Sie für alle Exemplare, sowohl mit Proben Parallel und senkrecht zur Faser.

Zugversuch

1. Hundeknochen Proben von drei verschiedenen Hölzern (südliche Kiefer, Fichte und Eiche zum Beispiel) erhalten. Eine Reihe von Proben mit der aufgebrachten Last Parallel zur Faser getestet werden sollte, und die andere Gruppe von Proben sollte mit der aufgebrachten Last senkrecht zur Faser getestet werden. Beachten Sie, dass diese nicht die Probe Typ erforderlich für ASTM Tests auf Holz, wie die Absicht Zug-Verhalten zeigen und nicht zu eine Datenbank für Design zu entwickeln.
2. Gehen Sie wie gewohnt mit der üblichen Spannung-Test-Maschine (siehe zweite Manuskript auf dieser Serie: Zugversuche auf Stahl).

Biegen Test

1. Erhalten Sie eine 2 x 4 ca. 24 Zoll lang von dichten Southern Pine.
2. Installieren Sie eine Vierpunkt-Biege-Prüfeinrichtung auf Universalprüfmaschine (Abb. 1).

Abbildung 1 : Vier-Punkt-Biegung Apparat.

3. Die Prüfmaschine und zugehörige Software zu starten. Stellen Sie sicher, dass die Software zum Erfassen der Maximallast und die Lasten und Kreuzkopf Werte eingestellt ist.
4. 2 x 4 in das Gerät zu installieren und die obere Traverse zu senken, bis das Gerät gerade beginnt zu machen Kontakt mit dem Holzbalken.
5. Wenden Sie die Last langsam (ca. 2000 lbs pro Minute) bis der Strahl Frakturen (Abb. 2).

Abbildung 2 : Holzbalken Biege-scheitern.

6. Notieren Sie die Bruchlast.

Die Kompression, Spannung und Biege Testergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Wie konsequent durch alle Ergebnisse gezeigt, Eiche ist das stärkste Holz, gefolgt von Fichte und südlichen Kiefer.

Tabelle 1: Holz Test Übersicht

Tabelle 2: Normalisierte Daten

Tabelle 2 enthält die gleichen Daten wie in Tabelle 1 aber normalisierte zur Stärke der Eiche Material. Für die zwei wichtigsten Eigenschaften biegen Stärke und Kompression parallel zur Faser, die Fichte scheint etwa ca. 87 % und die südlichen Kiefer rund 78 % so stark wie die Eiche. Angesichts den sehr großen Preisunterschied zwischen Wald, scheint es, dass southern Pine, wie die billigste davon, ist eine sehr effiziente Wahl.

Holz ist eine nachhaltige, natürliche Material, die orthotrope Eigenschaften aufweist. In anderen Labors Materialien wie Metalle, Polymere und Beton in Spannung oder Kompression mit der Annahme, dass das Material isotropically, wirkt d.h. seiner Beständigkeit gegenüber einer bestimmten Last ist gleich, unabhängig von der Ausrichtung des getestet wurden die Material. Stahl, z. B. hat eine Vielzahl von zufällig orientierte Körner auf der Mikroebene, auf der Makroebene zu homogenere und isotrope Eigenschaften zu geben. Jedoch handeln Holz mit seiner leicht identifizierbare Faserrichtung nicht isotropically. So muss ein Designer überlegen die erwarteten Belastungen auf ein Holz Element oder Struktur, maximale Wirksamkeit des Materials zu gewährleisten. Darüber hinaus hat Holz aufgrund seiner natürlichen Ursprungs, mechanische Eigenschaften, die zu den einzelnen Arten der Baum, den Feuchtigkeitsgehalt und die Größe des Prüflings gebunden.

Bis vor kurzem waren Holzkonstruktionen auf drei oder vier Geschichten in eine Wohnung oder ein kleines Bürogebäude beschränkt. Entwicklungen von Brettsperrholz, Holzplatten, bestehend aus Schichten im rechten Winkel zueinander ausgerichtet und verklebt, führten zu die Entwicklung der strukturellen Systeme in der Lage, 8 oder mehr Geschichten zu erreichen. Viel höhere Gebäude, in der Größenordnung von 20 Geschichten sind noch in der Entwicklungsphase.