structuri din lemn
DESCRIPTION
Curs pentru studenti despre realizarea structurilor din lemn.TRANSCRIPT
-
Prof. dr. ing. FURDUI CORNEL S.l. dr. ing. FEKETE-NAGY LUMINITA
STRUCTURI DIN LEMN Curs pentru studentii anului III CCIA
-2009-
-
CUPRINS CAP. I LEMNUL IN CONSTRUCTII ................................................................ 5
1. CALITATEA LEMNULUI ................................................................................................6 2. PRODUSE DE MATERIAL LEMNOS FOLOSITE N CONSTRUCII.........................7
CAP. II CARACTERISTICILE FIZICE I MECANICE ALE LEMNULUI... 26
1. CARACTERISTICI FIZICE............................................................................................26 2. PROPRIETI TERMICE...............................................................................................33 3. PROPRIETI MECANICE I DE DEFORMAIE......................................................34
CAP. III DIMENSIONAREA ELEMENTELOR STRUCTURALE DIN LEMN............................................................................................................................. 46
1. REZISTENELE CARACTERISTICE I DE CALCUL ALE LEMNULUI.................46 2. CALCULUL ELEMENTELOR DIN LEMN CU SECIUNE SIMPL .......................48 SOLICITATE LA NTINDERE CENTRIC ......................................................................48 3. CALCULUL ELEMENTELOR DIN LEMN CU SECIUNE SIMPL ........................49 SOLICITATE LA COMPRESIUNE ....................................................................................49 4. CALCULUL ELEMENTELOR DIN LEMN CU SECIUNE SIMPL ........................56 SOLICITATE LA FORFECARE .........................................................................................56 5. CALCULUL ELEMENTE DIN LEMN CU SECIUNE SIMPL ...............................57 SOLICITATE LA TORSIUNE.............................................................................................57 6. CALCULUL ELEMENTELOR DIN LEMN CU SECIUNE SIMPL ........................58 SOLICITATE LA NCOVOIERE........................................................................................58 7. CALCULUL ELEMENTELOR DIN LEMN CU SECIUNE SIMPL SOLICITATE LA FORE AXIALE I NCOVOIERE (COMPRESIUNE SAU NTINDERE EXCENTRIC) ....................................................................................................................66
CAP. IV. MBINRI LA CONSTRUCIILE DIN LEMN............................... 69
1. CLASIFICAREA MBINRILOR ..................................................................................69 2. CALCULUL I ALCTUIREA MBINRILOR EXECUTATE PRIN ........................71
CAP.V PROTECIA I CONSOLIDAREA ELEMENTELOR DIN LEMN . 79
1. AGENI DE DEGRADARE A LEMNULUI ..................................................................79 2. PROTECIA LEMNULUI...............................................................................................84
BIBLIOGRAFIE ................................................................................................. 93
4
-
CAP. I LEMNUL IN CONSTRUCTII a) Avantajele construciilor de lemn
1. Densitatea aparent redus fa de rezistena relativ mare. Comparativ cu densitatea celorlalte materiale principale de construcie (zidrie, beton armat, oel, etc.) se poate constata c lemnul este de 3,5 16 ori mai uor iar raportul dintre rezisten i densitate are valoarea comparabil pentru lemn i oel, att la compresiune ct i la ntindere.
2. Greutatea redus a lemnului face ca toate construciile realizate din acest material s prezinte o comportare favorabil la aciunea seismic, s poat fi amplasate cu mai mult uurin pe terenuri dificile de fundare i s necesite consumuri mai reduse de materiale n structurile de fundaii.
3. Prelucrarea i fasonarea uoar a lemnului att n uzin ct i pe antier, datorit rezistenelor reduse la prelucrare, cu posibilitatea executrii construciilor n orice anotimp, fr ca s necesite msuri speciale de execuie. Viteza de execuie este mare, prin eliminarea lucrrilor umede specifice construciilor din beton armat sau zidrie, iar darea n exploatare a construciilor de lemn este posibil imediat dup terminarea lucrrilor.
4. Existena mai multor sisteme de asamblare, cu posibilitatea demontrii i a refacerii pariale sau totale a elementelor i construciilor.
5. Posibilitatea realizrii unor forme i gabarite deosebite care sunt dificil sau chiar imposibil de realizat cu alte materiale de construcie. Exist construcii din lemn sub form de arce sau cupole cu deschideri ce ating 100 m.
6. Proprietile termice sunt favorabile pentru construcii. n comparaie cu oelul, betonul i chiar crmida, lemnul are : - coeficientul de conductibilitate termic ( ) mult mai redus, ceea ce justific folosirea lui
ca material pentru izolaie termic cu bun eficacitate. Lemnul opune o rezisten termic, la trecerea unui flux de cldur prin el, de 300 400 ori mai mare dect oelul i de 7 10 ori mai mare dect betonul.
- coeficientul de dilatare termic liniar n lungul fibrelor ( ) redus face s nu fie necesare rosturi de dilataie termic la construciile din lemn i s prezinte o comportare bun din punct de vedere a rezistenei la foc. Pentru lemnul de rinoase, de exemplu, coeficientul este de 410-6510-6, adic aproximativ de 2-3 ori mai mic dect coeficientul de dilatare termic a oelului i al betonului armat.
7. Durabilitatea mare a construciilor din lemn, aflate ntr-un regim optim de exploatare, din punct de vedere a condiiilor mediului ambiant
Cheltuielile de ntreinere sunt cele de tip curent cu excepia finisajului exterior care necesit ntreinere periodic (vopsea la 78 ani). Interveniile asupra elementelor de lemn, pentru consolidare sau refacere, se fac uor i la faa locului.
8. Comportarea relativ bun din punct de vedere a rezistenei la foc. Lemnul, dei este un material combustibil, se comport bine din punct de vedere a rezistenei structurale la foc deoarece elementele masive se consum relativ lent, cu o vitez de 0,5 0,7 mm / minut, ceea ce presupune o scdere a seciunii transversale de 1 cm pe fiecare fa ntr-un sfert de or timp n care temperatura incendiului poate s ajung la 700 800oC. Pe de alt parte, rezistena i rigiditatea lemnului n interiorul seciunii carbonizate rmn practic neschimbate.
9. Posibilitatea refolosirii lemnului, dup o perioad de utilizare, la realizarea altor elemente de construcii i utilizarea lui pentru producia de energie face ca deeurile s fie reduse.
10. Caracteristicile arhitecturale deosebite i senzaia de cldur pe care o d lemnul fcnd s fie folosit nu numai ca i material structural dar i ca material de finisaj sau aparent, cu efecte estetice deosebite.
11. Posibilitatea asocierii lemnului cu oelul sau cu betonul i formarea unor structuri mixte eficiente.
5
-
b) Dezavantajele construciilor de lemn
Lemnul, ca i produs natural, de natur organic, avnd structura neomogen i anizotrop pe lng caliti are i o serie de inconveniente i dezavantaje cum ar fi:
1. Variabilitatea foarte mare a caracteristicilor att ntre specii ct i n cadrul aceleiai specii datorit unor surse de variabilitate foarte diverse
2. Variaia caracteristicilor mecanice i fizice pe diferite direcii fa de direcia fibrelor. Datorit neomogenitii structurii lemnului rezistenele sunt diferite n lungul trunchiului lemnului i pe seciune transversal, variaia acestora fiind cuprins ntre 10 40 %. 3. Influena mare a umiditii asupra caracteristicilor fizico-mecanice, a dimensiunilor i durabilitii lemnului. Spre exemplu variaia umiditii de la 5 pn la 15% duce, la unele specii de lemn, la scderea cu aproape de 2 ori a rezistenei la compresiune. Creterea umiditii favorizeaz, de asemenea, degradarea biologic a lemnului , n special datorit aciunii ciupercilor i creaz probleme de sntate pentru ocupanii construciilor.
4. Sortimentul limitat de material lemnos att n ceea ce privete dimensiunile seciunii transversale ct i n privina lungimilor. Folosirea unor elemente, sub form de grinzi sau stlpi, cu dimensiuni transversale mari (de obicei peste 20 cm) sau cu lungime mare ( peste 5-6 m) duce, de multe ori, la preuri ridicate. Aceast deficien se poate elimina prin folosirea unor elemente compuse sau a unor elemente realizate din scnduri ncleiate.
5. Defectele naturale ale lemnului (defecte de form i structur, crpturi etc.), defectele cauzate de ciuperci, insecte sau de unele substane chimice precum i efectele fenomenelor de contracie i de umflare reprezint inconveniente importante ale materialului lemnos de construcie.
6. Degradri produse de ciuperci i insecte atunci cnd nu exist un tratament corespunztor mpotriva acestora. 1. CALITATEA LEMNULUI 1.1 Deficiente ale lemnului
Calitatea lemnului variaz att ntre specii ct i n cadrul aceleiai specii. Sursele de
variabilitate n cadrul unei specii sunt diverse, iar o sintez a lor i a consecinelor acestora se prezint n fig.1.1 .
Pot exista, o serie de defecte cum ar fi crpturile sau defectele produse de insecte i de ciuperci, defecte ce influeneaz calitatea materialului i duce la impartirea acestuia n clase de calitate. 1.2 Procedee de clasificare a lemnului pe clase de calitate La ora actuala se utilizeaza doua procedee de clasificarea lemnului: - Clasificarea tradiionala se realizeaz n urma unui examen vizual i are n vedere factorii de reducere a rezistenei care pot fi examinai (n principal nodurile i limea inelelor anuale). - Clasificarea mecanica se realizeaza pe baza unor ncercri mecanice (procedeul mecanic sau cu maina)
Normele europene EN 388-1994 sorteaz lemnul pentru construcii in 9 clase pentru rasinoase i 6 clase pentru foioase.
Tabelul 1.1 Clase de calitate
Clase de rezisten Specia C 10 C 18 C 24 C 30 C 40
Molid, brad, larice, pin x x x - - Stejar, gorun, cer, salcm - x x x - Fag, mesteacn, paltin, frasin, carpen - x - x x Plop, anin, tei x x - - -
6
-
Clasa de rezisten a lemnului, conform tabelului 1.1, se definete prin valoarea rezistenei caracteristice la ntindere din ncovoiere, exprimat n N/mm2.
Fig. 2.2 - Surse de variabilitate la lemn i consecinele lor
de ex. datorit ciupercilor
DE NATUR
Noduri
Sntoase Putrezite Aprute nperioada
de cretere
Datorit Curbura Rsucirea uscrii trunchiului fibrelor
nclinarea trunchiului
Fisuri i crpturi
DE GEOMETRIE
Afectarea caracteristicilor mecaniceUtilizare deficitar sau neuti lizareConcentrarea contracii lornclinarea local a fibrelor
Fig. 1.1 Surse de variabilitate la lemn i consecinele lor
2. PRODUSE DE MATERIAL LEMNOS FOLOSITE N CONSTRUCII
Funcie de modul cum pstreaz sau nu structura lemnului din care provin produsele de lemn utilizate ca materiale de construcii, se mpart n dou categorii:
- Produse care pstreaz structura materialului lemnos din care provin (produse brute din lemn rotund, lemn rotund pentru piloi, traverse de cale ferat, cherestea, lemn ncleiat, furnir, etc.);
- Produse care, datorit unor operaii tehnologice (achiere, defibrare, impregnare, presare, ncleiere, etc.), nu mai pstreaz structura materialului lemnos sau o pstreaz n proporie redus ( PAL, PFL) i care pot fi considerate produse moderne din lemn sau produse din lemn reconstituit.
Din categoria produselor care pstreaz structura lemnului fac parte i produsele din lemn compozit (lemn ncleiat, placaje, lemn stratificat, panel) care se obin prin ncleierea unor produse lemnoase ( cherestea, furnir).
Produsele care pstreaz structura lemnului, dup gradul de prelucrare pot fi: produse brute (STAS 453-83); produse de lemn ecarisat ( scnduri, dulapi, ipci, rigle i grinzi); produse semifinite (lemn ncleiat, panouri) i finite.
Produsele care nu pstreaz structura lemnului au aprut din necesitatea de a nltura inconvenientele lemnului legate de dimensiunile naturale i de anizotropie i complecteaz produsele din lemn compozit care pstreaz structura lemnului( lemn ncleiat, placaje, lemn stratificat). Panourile din lemn compozit sau din lemn reconstituit prezint, n raport cu lemnul masiv, o serie de avantaje i anume:
- nivelul de dispersie a caracteristicilor mult redus; - anizotropie redus;
- stabilitate a dimensiunilor n plan ; - o varietate mai mare a dimensiunilor.
7
-
Panourile pe baz de lemn au o gam larg de aplicare n numeroase industrii dar peste 50% se folosesc n construcii pentru planee, acoperiuri, arpante, cofraje, scri, ui, etc. 2.1 Produse brute din lemn Produsele brute din lemn sunt obinute din trunchiuri curate i decojite, tratate sau nu i sunt folosite direct la eafodaje, schele i piloi (STAS 1040-85, STAS 3416-75), stlpi pentru linii aeriene (STAS 257-78, STAS 7498-66), lemn de min (STAS 256-79), elemente de rezisten (STAS 4342-85, STAS 1040-85) la diferite structuri (popi, pane, grinzi, etc.). 2.2 Traverse de lemn pentru cale ferat
Traversele se obin prin cioplirea sau fierstruirea i cioplirea lemnului brut de foioase cu realizarea diferitelor forme ale seciunii transversale (tipul A1, A2, B, C conform STAS 330/1-72). Funcie de dimensiunile seciunii transversale traversele pot fi: normale, nguste, pentru poduri i traverse speciale. 2.3. Produse din lemn ecarisat (cheresteaua) Cheresteaua (STAS 942-86, STAS 8689-86) este lemnul ecarisat care se obine din lemnul brut debitat n sens longitudinal obinndu-se produse de diferite dimensiuni (scnduri, dulapi, ipci, rigle, grinzi, margini) avnd cel puin dou suprafee plane i paralele ( fig. 1.2).
Din produsele de cherestea fac parte: Scndurile, produse cu feele plane i paralele avnd grosime de maximum 24 mm la
rinoase i 40 mm la foioase i limea de cel puin 80 mm; Dulapi, produse cu feele plane i paralele avnd grosime ntre 28 75 mm la rinoase i 50
90 mm la foioase i limi mai mari dect dublul grosimi dar cel puin 100 mm; Grinzile, produse cu dou, trei sau patru fee plane, avnd seciune ptrat sau dreptungiular
i latura de minimum 100 mm, la rinoase i 120 mm la foioase.
Fig. 2.11 - Tipuri de cheresteaa) - vite ; c) - margini (lturoaie) .
scnduri (dulap duri (dulapi) tii) netivite ; b) - scn
a) b)
c)
b) a)
c)
-Riglele (grinzisoarele) au b- latura minima de cel putin 100 mm pt.rasinoase si 120 pt.
foioase;
Fig. 1.2 - Tipuri de cherestea a) scnduri (dulapi) netivite; b) scnduri (dulapi) tivite;
c) margini (lturoaie)
8
-
-ipcile, produse cu feele i canturile plane i paralele cu grosimi de 1224 mm i limi de maximum 48 mm la rinoase respectiv grosimi de 19 .. 40 mm i limi de maximum 40 mm la foioase.
-Cheresteaua (Fig. 1.2) poate fi clasificat: - dup modul de prelucrare a canturilor (tivit, cu ambele canturi plane sau parial plane;
netivit, cu canturi care pstreaz forma buteanului; semitivit, cu un cant tivit); - dup coninutul de umiditate (verde, cu umiditate mai mare de 30%; zvntat, cu umiditate
de 24% 30%; semiuscat, cu umiditate de 18% 24%; uscat, cu umiditate sub 18%); - dup modul de prelucrare ( neprelucrat ; semifabricat; prefabricat);
dup modul de aranjare a inelelor anuale pe seciunea transversal (cherestea radial, la care unghiul ntre tangenta la inelele anuale i muchia feei este de 61o 90o ; cherestea semiradial, la care unghiul este de 45o 60o i cherestea tangenial, cu unghiul
-
Fig. 2.12 - Modul de realizare n seciune transversal a elementelor din lemn incleiat a) din cu lime de maxim 20cm b) din
c) - cherestea ; - cherestea
cu lime mai mare de 20cm ; - detaliu an pentru elemente de cherestea cu lime mai mare de 20cm .
a) b) c)t
30...3
5mm
2t
b b b
b200mm 200mm
200mm
t
3,5mm
(1/5.
..1/6
)t
2/5b
Fig. 1.3 Modul de realizare n seciune transversal a elementelor din lemn incleiat
a) din cherestea cu lime de maxim 20cm; b) din cherestea cu lime mai mare de 20cm; c) detaliu an pentru elemente de cherestea cu lime mai mare de 20cm
Dispunerea astfel a elementelor reduce la minimum contracia transversal i eforturile de ntindere transversal din variaii climaterice care acioneaz asupra lemnului i n mbinrile ncleiate.
Dac limea produsului depete 20 cm este recomandabil s se plaseze dou elemente unul lng altul cu decalarea rostului de mbinare pe o distan de minimum de 2 ori grosimea elementelor ( fig. 1.3b.).
De asemenea la folosirea unor elemente cu lime mai mare de 20 cm se recomand practicarea a dou anuri longitudinale pe toat lungimea elementelor componente (fig. 1.3c.).
Elementele ncleiate pot fi realizate de lungimi i nlimi foarte mari, dimensiunile fiind limitate n general de posibilitile de transport. n mod curent se pot realiza elemente de 30 35 m lungime i pn la 2,2 m nlime.
Pentru realizarea elementelor structurale de lungime mare, elementele componente (scndurile, dulapii) se prelungesc prin ncleiere pe o suprafa dreapt (fig. 1.4 a), nclinat cu lungime de minimum 10 ori grosimea elementului (fig. 1.4b), sau prin joante de ncleiere sub form de dini (fig.1.4c). mbinrile se decaleaz la distan de minimum 50 cm de la o scndur la alta pe nlimea elementului (fig. 1.4d). mbinarea pe o suprafa dreapt (fig. 1.4a) se folosete la elemente comprimate iar cea pe suprafa teit (fig. 1.4b) la toate tipurile de elemente (ntinse, comprimate i ncovoiate).
Joantele, pentru mbinrile din fig. 1.4c, se caracterizeaz prin lungimea ,,dinilor (l), pasul (p), grosimea extremitii dinilor ( bt) i jocul de mbinare (lt).
10
-
Fig. 2.13 - mbinarea longitudinal de prelungire a elementelor ncleiate
a) b)
d)c)
l 10 h
50 50 50 50 50 50
505050
50 50
Nc
N
Nt
M
M
M
Nc
N
Nt
M
h
suprafa teit
l lt
p
p
h
btb
a) - cap la cap ; b) - pe suprafa teit ; c) - cu dini ; d) - decalarea mbinrilor .
Dimensiunile de realizare a dinilor conform fig.1.4 sunt recomandate de diferite norme.
Fig. 1.4 mbinarea longitudinal de prelungire a elementelor ncleiate
a) cap la cap; b) pe suprafa teit; c) cu dini; d) decalarea mbinrilor
Produsele de ncleiere sunt rini sintetice, aplicate pe ambele fee ale pieselor i se aleg funcie de condiiile climaterice la care urmeaz s fie supuse elementele i funcie de mrimea solicitrilor mecanice.
Procesul de priz a cleiurilor i rezultatul ncleierii depinde de o serie de factori, dintre cei mai importani sunt: caracteristicile materialului de ncleiere (natur, concentraie, vscozitate, temperatur, etc.); caracteristicile materialului lemnos (specia, forma i aspectul suprafeei, umiditatea, temperatura, etc.); caracteristicile mediului ambiant (umiditate, temperatur, presiunea vaporilor, etc.); tehnologia de execuie i altele.
Avantajele deosebite ale utilizrii elementelor de lemn ncleiat constau n: - dimensiunile teoretic nelimitate ale elementelor, n practic producndu-se n mod curent piese cu nlime de max.2 m i lungime de 3040 m dimensiunile fiind limitate din condiii arhitecturale, de capacitatea de prelucrare a mainilor, de dimensiunile atelierelor de fabricaie i de condiiile de transport;
- forma elementelor, care poate fi dreapt sau curb, cu seciunea transversal constant sau variabil;
- ameliorarea rezistenei i a rigiditii prin reducerea influenei nodurilor i realizarea unui material cu omogenitate mai mare;
- folosirea raional a lemnului disponibil pe seciune transversal prin plasarea unor elemente componente de clas mai mare de rezisten n zonele mai puternic solicitate i de clas mai redus n zonele slab solicitate; de exemplu la elementele ncovoiate spre exterior se folosete lemn de bun calitate iar la interior, spre axa neutr, lemn de calitate mai redus.
- eliminarea, n exploatare, a deformaiilor datorate uscrii deoarece la realizarea elementelor structurale prile componente sunt uscate la o umiditate de 12%, valoare aproximativ egal cu umiditatea de exploatare din interior fapt ce realizeaz o umiditate de echilibru a lemnului care variaz ntre 9 i 12%;
- precizia dimensional a elementelor datorit uscri n prealabil i datorit procedeului industrial de fabricare.
Execuia acestor elemente presupune i folosirea unui personal calificat i existena unor sectoare cu instalaiile necesare (sector de pregtirea pieselor; atelier unde temperatura i umiditatea
11
-
pot fi meninute ntre anumite limite i controlate; sector de ambalare a pieselor; sector cu instalaii de ncleiere a pieselor ntre ele, cu posibiliti de realizare a elementelor drepte sau curbe, etc.).
Elementele ncleiate care se folosesc la realizarea grinzilor sau a stlpilor au, n mod curent, seciune rectangular. Se pot realiza i elemente ca seciuni transversale I i sub form de cheson, cu unele dificulti n procesul de fabricaie care ns sunt compensate prin avantajele n planul stabilitii i al flambajului elementelor.
Grinzile din elemente de lemn ncleiate pot fi drepte sau curbe, cu moment de inerie constant sau variabil. Geometria cea mai des folosit pentru grinzi este cea cu o singur pant, curbe cu seciune constant cu dou pante i cu intrados curb (fig. 1.5).
Aceste grinzi sunt realizate cu extrados din elemente tiate i un extrados din elemente continue drepte sau curbe.
La elementele solicitate la nconvoiere raportul nlime /deschidere este n general 1/3 1/8 i nu este mai mic de 1/10.
La realizarea elementelor, pentru a evita apariia tensiunilor suplimentare din curbare, se recomand ca raza de curbur rin a elementelor componente s nu fie mai mic dect 200 ti ,dac elementele au grosime ti 1000mm.
Modul de calcul a grinzilor este prezentat n capitolul 4.8.6 Caracteristicile elementelor din lemn ncleiat, pentru elemente omogene realizate din acelai
tip de elemente componente, se pot determina pe baza caracteristicilor lemnului din elementele componente /36 / conform relaiilor date n tabelul 1.2.
Fig. 2.14 - Geometrii curente ale grinzilor din elemente de lemn ncleiat
hh h
h hhh
apap
ap
g ggg
a)
c)
b)
d)
10
r
r
r
r
in
in
a) - cu o pant ; b) - curbe cu moment de inerie constant ; c) - cu dou pante ; d) - n dou pante cu intrados curb i cu moment de inerie variabil .
Fig. 1.5 Geometrii curente ale grinzilor din elemente de lemn ncleiat a) cu pant; b) curbe cu moment de inerie constant; c) cu dou pante;
d) n dou pante cu intrados curb i cu moment de inerie variabil
12
-
Tabelul 1.2 Caracteristicile mecanice ale lemnului din elemente ncleiate
Caracteristica Notaie Valoare ( conf. EN11949) Rezistena la ncovoiere ( N/mm2) fm,g,k 1,2 + ft,0,l,kRezistena la ntindere ( N/mm2)
- paralel cu fibrele - perpendicular pe fibre
ft,0,g,k ft,90,g,k
9 + 0.5 ft,0,l,k 1.15 ft,90,l,k
Rezistena la compresiune paralel cu fibrele ( N/mm2)
fc,0,g,k
(1,5 0.01 fc,0,l,k) ft,0,l,k
Densitate ( kg/m3 ) g,k 0.95 l,med Se constat c majoritatea caracteristicilor mecanice ale elementelor din lemn ncleiat sunt
superioare celor ale lemnului din elementele componente, lucru explicat prin: - reducerea efectelor defavorabile datorate defectelor excentrice, cum sunt nodurile, care la
piesele individuale introduc eforturi din ncovoiere; - reducerea efectului slbirii seciunii datorit nodurilor, prin consolidarea produs de elementele adiacente; - asigurarea unui element mai omogen cu efect pozitiv asupra rezistenelor i asupra densitii generale, care se apropie mult de densitatea medie a elementelor componente. Tabelul 1.3
Clase de rezistent a lemnului din elemente ncleiate Clase de rezisten Caracteristica Notaie GL20 GL24 GL28 GL32 GL36
Rezistena la ncovoiere (N/mm2)
fm,g,k 20 24 28 32 36
Rezistena la ntindere (N/mm2) - paralel cu fibrele - perpendicular pe fibre
ft,0,g,k ft,90,g,k
15
0.35
18
0.35
21
0.45
24
0.45
27
0.45 Rezistena la compresiune(N/mm2)
- paralel cu fibrele - perpendicular pe fibre
fc,0,g,k fc,90,g,k
21 5.0
24 5.5
27 6.0
29 6.0
31 6.3
Rezistena la forfecare (N/mm2) f,g,k 2.8 2.8 3.0 3.5 3.5 Modulul de elasticitate (N/mm2) - mediu x 103 - minim x 103
E0,me,k E0,05,k
10 8
11 8.8
12 9.6
13.5 10.8
14.5 11.6
Densitatea ( kg/m3 ) g,k 360 380 410 440 480 Norma EUROCODE 5 iau n considerare valorile din tabelul 2.2 aplicate la elemente cu: - o nlime i lime egal cu 600 mm pentru ncovoiere i ntindere paralel cu fibrele;
+ propun 5 clase conform tabelului 2.18 / 36 / Pentru realizarea claselor date n tabelul 1.3, elementele componente trebuie s satisfac
clasele de rezisten date n tabelul 1.4 Tabelul 1.4
Condiii pentru compoziia lemnului din elemente ncleiate Clase de rezisten a elementului Tipuri de elemente Condiii pentru:
GL20 GL24 GL28 GL32 GL36Elemente omogene Toate scndurile C18 C22 C27 C35 C40 Elemente neomogene
-Scnduri externe (1/6 din nlimea elementului la faa superioar i inferioar) -Scnduri interne
C22 C16
C24 C18
C30 C22
C35 C27
C40 C35
13
-
2.6 Placaje
Placajele ( STAS 1245-90 ) sunt panouri de diferite dimensiuni, realizate dintr-un numr impar (minimum trei) de straturi de furnir, ncleiate prin presare la cald la o temperatur de 90oC 150oC cu diverse tipuri de adezivi. Foile de furnir folosite la placaje se obin prin derulare longitudinal a trunchiului i au grosime de 14 mm.
Fibrele foilor exterioare sunt dispuse n acelai sens, iar fibrele foilor intermediare n sensuri alternative simetric fa de axa median (fig 1.6). n mod obinuit fibrele sunt dispuse perpendicular unele pe altele la dou foi alturate.
Fig. 2.15 - Alctuirea placajelor
y
x z
dd
t
dd
d1
24
35
direcia fibrelor elementelor exterioare
Fig. 1.6 Alctuirea placajelor direcia fibrelor elementelor exterioare
Compoziia placajelor limiteaz variaiile dimensionale i umflarea i asigur proprieti egale
dup diferite direcii n planul produselor. Placajele se caracterizeaz prin cteva particulariti fa de lemnul din care sunt realizate foile de furnir i anume: densitate superioar, variaie mai redus a umiditii cu variaia umiditii mediului ambiant, variaii dimensionale reduse (0,02% pentru 1% variaie de umiditate), deformaie de curgere lent mai mare, variaie mai redus a durabilitii funcie de specia de lemn.
Umiditatea placajelor variaz mai puin dect cea a lemnului masiv de rinoase cu umiditatea mediului ambiant (tabelul 1.5 /30/).
Tabelul 1.5
Umiditatea de echilibru a placajelor/30/ Mediul ambiant cu temperatur de 200 C i umiditate relativ de: 30% 65% 85%
Umiditatea de echilibru a placajelor 5% 10% 15%
Umiditatea de echilibru a lemnului de rinoase 6% 12% 17%
Comportarea elastomecanic este condiionat de direcia fibrelor i depinde de unghiul fa de orientarea fibrelor foilor exterioare. Durabilitatea placajelor este influenat de grosimea foilor, compoziia panoului (atunci cnd se folosesc foi provenite de la diferite specii de lemn), cantitatea i calitile adezivului. Caracteristicile placajelor sunt influenate de: - parametrii geometrici (compoziie, numrul i grosimea elementelor componente); - caracteristicile materialului (esena, utilizarea diferitelor tipuri de materiale ntr-un panou, coninut de umiditate); - cantitatea i proprietile adezivilor;
14
-
- condiiile de solicitare (direcia eforturilor fa de direcia fibrelor elementelor de fa, durata ncrcrii, etc.). La solicitarea de ncovoiere trebuie s se aib n vedere ncovoierea dup faa perpendicular pe planul panoului (fig.1.7) i cea dup cant, paralel cu planul panourilor.(fig.1.8)
Placajele se mpart n: - placaje obinuite sau de uz general, folosite n industria mobilei; - placaje de exterior sau cu utilizri speciale, folosite n construcii, aviaie, construcii de nave
etc.( STAS 1245-90, STAS 7004-86).
Fig. 2.16 - ncovoiere perpendicular pe planul panourilor
a) b)
a) - paralel cu fibrele plcilor exterioare ; b) - perpendicular la fibrele plcilor exterioare .
direcia fibrelor
direcia fibrelor
a) b)
Fig. 1.7 ncovoiere perpendicular pe planul panourilor a) paralel cu fibrele plcilor exterioare; b) perpendicular la fibrele
plcilor exterioare
Fig. 2.17 - ncovoiere dup canta) paralel fibrele plcilor exterioare ; cu b) perpendicular pe fibrele plcilor exterioare .
a) b)
direcia fibrelor Din categoria placajelor de exterior sau cu utilizri speciale fac parte:
direcia fibrelor
a) b) Fig. 1.8 ncovoiere dup cant
a) paralel cu fibrele plcilor exterioare; b) perpendicular pe fibrele plcilor exterioare
- placajul melaminat, acoperit cu unul sau mai multe straturi de hrtie impregnat cu rin melaminic;
- placajul emailat, pe faa cruia se aplic prin turnare sau pulverizare unul sau mai multe straturi de email sau lac de rini sintetice;
- azoplacajul, acoperit cu azbociment pe una sau pe ambele fee; - placajul acoperit cu hrtie decorativ, n scopul nlocuirii acoperirii cu furnir estetic;
15
-
- placaj armat cu estur din fire de sticl, acoperit pe una sau ambele fee cu estur din fire de sticl, imersat n soluie de rin fenolic sau folosind ca adeziv rin fenolic sub form de fibre;
- placaj acoperit cu rin fenolic sub form de fibre, pe una sau ambele fee, n scopul creterii rezistenei la umiditate;
- placaj decorativ, avnd pe o fa furnir estetic, iar pe dos furnir tehnic, folosit n industria mobilei i n construcii. Placajele au grosimi de 2 20 mm i sunt mprite, dup anomaliile i defectele furnirului tehnic al stratului exterior, n 5 categorii (A, B, C, D, E) i, dup categoria straturilor exterioare, n 5 clase de calitate (A/B, B/C, C/D, D/D, E/E). Grosimile placajelor folosite la exterior, la noi n ar, sunt de 6, 8, 10, 12, 15 mm fiind formate din 3, 5, 7, 9 straturi iar formatele uzuale sunt de 1000x1220 mm, 1220x2220mm, 1220 x 1525 mm, 2000 x 1250 mm.
Caracteristicile mai importante ale placajelor de exterior din furnir de fag, realizate n ar sunt date n tabelul 1.6, /22 /
Tabelul 1.6 Caracteristicile fizico-mecanice ale placajelor de exterior
din furnir de fag /22/ Tipul de placaj
Nr. crt.
Caracteristica F(ncleiat cu filme de
rin fenolformaldehidric)
S (ncleiat cu soluie de rin formaldehidic)
1 Densitatea aparent a ( kg/ m3) min. 680 650 740 2 Conductibilitatea termic (W / m. grd ) 0.20 0.20 3 Modulul de elasticitate la ncovoiere la
ncrcare perpendicular pe straturi, axa longitudinal a epruvetei fiind paralel cu direcia fibrelor straturilor exterioare ( N / mm2 ) : - n stare uscat ( U =7% ) - n stare umed (dup 24 h imersie n ap)
7 700 4 600
8 370 5 000
4 Modulul de elasticitate la ncovoiere la ncrcare paralel cu straturile, axa longitudinal a epruvetei fiind paralel cu direcia fibrelor straturilor exterioare (N / mm2 ) : - n stare uscat ( U =7% ) - n stare umed (dup 24 h imersie n ap)
11 100 2 897
5 Rezistena la compresiune paralel cu straturile, axa longitudinal a epruvetei fiind paralel cu direcia fibrelor straturilor exterioare (N / mm2 ) : - n stare uscat (U =7% ) - n stare umed (dup 24 h imersie n ap)
40.0 12.0
43.5 15.5
6 Rezistena la ncovoiere la ncrcare perpendicular pe straturi, axa longitudinal a epruvetei fiind paralel cu direcia fibrelor straturilor exterioare (N / mm2 ): - n stare uscat ( U =7% ) - n stare umed (dup 24 h imersie n ap)
73.0 39.5
78.0 43.0
16
-
7 Rezistena la ncovoiere la ncrcare paralel cu straturile, axa longitudinal a epruvetei fiind paralel sau perpendicular cu direcia fibrelor straturilor exterioare (N / mm2 ) : - n stare uscat ( U =7% ) - n stare umed (dup 24 h imersie n ap)
- -
56.0 32.5 - 36.0
8 Rezistena la ntindere paralel cu straturile (N / mm2 ), axa longitudinal a epruvetei fiind: -paralel cu direcia straturilor exterioare (U =7% ); -perpendicular pe direcia straturilor exterioare (U =7% )
43.5 38.5
57.0 45.0
9 Rezistena la forfecare perpendicular pe straturi (N / mm2 ), cu direcia forei: - paralel cu direcia fibrelor straturilor exterioare, n stare umed; - pendicular pe direcia fibrelor straturilor exterioare, n stare umed.
- -
11.5
14.0
Valorile caracteristice ale rezistenelor i densitilor produselor de placaj realizate n diferite ri, date n /30/ dup documentul CEN / TC 112406 ,, Panouri pe baz de lemn - Valori caracteristice pentru produse reformate sunt prezentate n tabelul 1.7 iar cele ale modulului de elasticitate n tabelul 1.8.
Valorile din tabelele 1.7 i 1.8 sunt date pentru placaje de clasa I i II clasificate dup EN 635 ,,Placaje Clasificare dup aspectul suprafeei partea 2 pentru foioase i partea 3 pentru rinoase. Coeficienii k1, k2, k3, recomandai n tabelele 1.7 i 1.8 pentru placajele fabricate n Germania i Frana se determin cu relaiile 1.11.3 , conform figurii 1.9:
Tabelul 1.7 Valorile rezistenelor caracteristice pentru placaje / 36/
Tip de placaj Rezistena caracteristic la: S FIN US CAN D
ncovoiere cu ncrcare perpendicu-lar pe planul panoului cu axa longitudinal paralel cu fibrele plcilor exterioare, fig.1.7 a (fm,0,k )
23.0 21.6
37.2 34.8
23.5 14.8
19.0 15.8
77k1
ncovoiere cu ncrcare perpendicular pe planul panoului cu axa longitudinal perpendicular la fibrele plcilor exterioare, fig.1.7 b (fm,90,k )
11.4 12.4
27.6 29.0
12.2 10.1
7.3 8.7
77(1-k1)/k3
ntindere paralel cu fibrele plcilor exterioare (ft,0,k )
15.0 15.4
38.9 37.2
13.6 10.5
9.9 10.6
77k2
ntindere perpendicular pe fibrele plcilor exterioare (ft,90,k )
12.0 11.4
32.9 34.1
7.2 6.9
6.3 6.6
77(1-k2 )
Compresiune paralel cu fibrele plcilor exterioare (fc,0,k )
15.0 15.4
19.9 19.3
13.9 10.6
12.6 14.1
58k2
Compresiune perpendicular pe fibrele plcilor exterioare (fc,90,k )
12.0 11.4
17.5 18.1
8.1 7.7
9.0 9.7
58 ( 1-k2)
k1 = ( d3m - d3m 2 + d3m - 4 - d31 ) / d3m (1.1) k2 = ( dm - dm 2 + dm - 4 - d1 ) / dm (1.2)
k3 = dm 2 / dm (1.3)
17
-
Forfecare din ncovoiere dup paralel cu fibrele plcilor exterioare, fig.1.8a (f,k )
2.9
9.8
3.2
3.2
8.0
Forfecare din ncovoiere cu ncrcare perpendicular pe planul panoului, fig.1.7 a (fr,k )
0.9
2.5
0.9
0.9
3.0
NOT: fk rezistena caracteristic, N/mm2S placaje suedeze P30; grosime 12.0mm respectiv 24.0 mm FIN placaje finlandeze; grosime 12.0mm respectiv 24.0 mm US placaje americane din minimum 5 foi ; grosime 12.5mm respectiv 21.0 mm CAN placaje canadiene; grosime 12.5mm respectiv 25.5 mm D placaje germane; grosime 12.5mm respectiv 21.0 mm
Pentru calculul deformaiilor, rigiditatea EI, respectiv EA, a panourilor se determin folosind
momentul de inerie I i aria A a seciunii totale i modulul de elasticitate E determinat conform /30/ avnd valorile: - pentru ncovoierea perpendicular pe planul panoului EII = 0,80 E0 pentru ncovoiere paralel la fibrele plcilor exterioare (fig. 1.7a); EL= 0,24E0 pentru ncovoiere perpendicular la fibrele plcilor exterioare (fig.1.8b) - pentru ncovoiere dup cant: EII = 0,61E0 pentru ncovoiere paralel la fibrele plcilor exterioare (fig.1.8a);
d d1 3 d 5 d m
-2d m
Fig. 2.18 - Determinarea coeficienilor k1, k2, k3 pentru placaje cu structuri multiple (m foi)
Tabelul 1.8
Valori caracteristice pentru modulul de elasticitate /36/ Tip de placaj Caracteristica
S FIN US CAN
D
Modulul de elasticitate la ncovoiere cu ncrcare perpendicular pe planul panoului, cu axa longitudinal paralel cu fibrele plcilor exterioare, fig.1.7 a (Em,0,mediu )
9200 8700
9800 8900
10300 7800
9200 6700
11000 k1
Modulul de elasticitate la ncovoiere cu ncrcare perpendicular pe planul panoului cu axa longitudinal perpendicular la fibrele plcilor exterioare, fig.1.7 b (Em,90,mediu )
4600 5000
6200 7100
2500 2500
2000 3300
11000 (1- k1)
Modulul de elasticitate la ntindere i compresiune paralel cu fibrele plcilor exterioare (Et(c),0,mediu )
7200 7400
8500 8300
6800 5200
6000 6300
11000 k2
Fig. 1.9 Determinarea coeficienilor k1, k2, k3 pentru placaje cu structuri multiple (m foi)
18
-
Modulul de elasticitate la ntindere i compresiune perpendicular pe fibrele plcilor exterioare (Et(c) ,90,mediu )
4800 4600
7500 7700
4600 3900
4400 4300
11000 (1- k2)
Densitatea caracteristic, k ( kg/ m3) 410 550 410 410 550 NOT : Modulul de elasticitate caracteristic (Ei,k ) are valoarea 0.8 Ei, mediu , ( N/mm2 )
EL= 0,41E0 pentru ncovoiere perpendicular la fibrele plcilor exterioare (fig.1.8b); - pentru ntindere i compresiune n planul panourilor: EII = 0,60E0 pentru eforturi paralele la fibrele plcilor exterioare; EL = 0,40E0 pentru eforturi perpendiculare la fibrele plcilor exterioare.
Valorile medii ale modulului deformaiilor transversale Gv, variaz de la 500 N/mm2 pentru rinoase la 700 N/mm2 la foioase. 2. 7 Lemnul stratificat
Lemnul stratificat sau lamelat, fcnd parte din produsele de lemn reconstituit, a aprut n anii
1960 i s-a dezvoltat mult n anii 1980. El a fost realizat din necesitatea reducerii efectelor negative a defectelor asupra rezistenelor produsului final. Producia unor astfel de produse era n anul 1993 de circa 440 000 mc n America, 51 000 mc n Europa i 40 000 mc n restul rilor. El poart marca de Micro - Lam LVL n America i Kerto LVL n Europa.
n tabelul 1.9 se dau, pentru exemplu, caracteristicile geometrice ale lemnului lamelat Kreto-LVL produs n Finlanda; lungimea produselor poate depi 20m.
Tabelul 1.9
Produse din lemn lamelat Kreto / 36/ Grosime ( mm ) Lime ( mm )
27 33 39 45 51 63 75 200 x x x x x x x 260 x x x x x x 300 x x x x x 360 x x x x 400 x x x 450 x x 500 x x 600 x 900 x
Lemnul lamelat se caracterizeaz, fa de lemnul natural, prin: durabilitate comparabil,
umiditate de echilibru n serviciu cu 2% mai mic, caracteristici mecanice superioare, variaii dimensionale n funcie de umiditate mai mici. Densitatea caracteristic este k = 500 kg/m3 iar densitatea medie are valoarea m = 520 kg/m3.
Avnd n vedere c un lemn fr defecte are rezistene de 24 ori mai mari dect cel cu defecte s-a cutat eliminarea neajunsurilor datorate defectelor prin desfacerea lemnului n lamele fine, de tipul furnirului, care apoi sunt lipite ntre ele pentru a se realiza un nou material. Realizarea lemnului stratificat a pornit i de la constatarea c un produs realizat din lemn ncleiat are o rezisten mai mare dect lemnul component. Acest avantaj este mai mare dac lemnul i, implicit, defectele mari ale acestuia se mpart n defecte mici prin divizarea lemnului n foi de 15mm grosime. Foile astfel realizate sunt lipite cu adezivi i presate la o temperatur de 150 C.
Lemnul lamelat se difereniaz de placaj prin aceea c orientarea fibrelor tuturor foilor, sau a majoritii lor este paralel, astfel nct se pot obine dimensiuni cu mult mai mari.
Valorile caracteristicilor de calcul pentru lemnul laminat Kreto-LVL sunt date n tabelul 1.10
19
-
Tabelul 1.10
Valorile caracteristicilor pentru lemn laminat Kreto LVL / 36/ Caracteristica Notaie Valoare ( N/ mm2) ncovoiere - pe cant - pe suprafa
fm,k 51 48
ntindere - paralel cu fibrele - perpendicular pe fibre
ft,0,k ft,90,k
42 0.6
Compresiune paralel cu fibrele Compresiune perpendicular pe fibre - paralel la planul de ncleiere
- perpendicular la planul de ncleiere
fc,0,k fc,90,k
42
9 6
Forfecare - pe cant - pe suprafa - ntre plci din ncovoiere cu ncrcare
perpendicular pe suprafa
f,0,k f,90,k fr,k
5.1 3.0 1.5
Modulul de elasticitate - minim - mediu
E0.05
E0.mediu
12400 14000
Modulul de forfecare - minim - mediu
G0.05
G0.mediu
820 960
n fig 1.10 se prezint o comparaie a caracteristicilor de rezisten pentru lemnul masiv,
lemnul ncleiat i lemnul laminat iar n figura 1.11 sunt prezentate trei seciuni transversale realizate cu cele trei materiale pentru aceeai capacitate portant la ncovoiere.
n Romnia lemnul laminat, denumit lemn stratificat, se obine prin ncleierea furnirelor tehnice de fag. Acest produs, dup gradul de presare, poate fi:
- lemn stratificat nedensificat (LSN), cu densitate de 800 kg/m3; - lemn stratificat densificat (LSD), cu densitate de 1200kg/m3.
Dup modul de orientare a fibrelor straturilor de furnire tehnice lemnul stratificat se mparte n trei tipuri:
- tipul A avnd straturile cu fibrele orientate paralel cu una din laturi; - tipul B cu grupe de zece straturi respectiv cinci pn la zece, la cel durificat, orientate paralel
cu una din laturi, alternnd cu un strat cu fibrele orientate perpendicular pe aceeai latur; - tipul C cu straturile alturate orientate perpendicular
20
-
Fig. 2.19 - Valorile caracteristicilor lemnului masiv (C24), lemnului ncleiat (Gl32) i ale LVL lemnului laminat ( ) .
10
20
30
40
50
60
N/m
m
1 1 1 1 1E 10 f f f f
2
3
C24GL32LVL
m t c
E - modul de elasticitate ; f , f , f , f - rezistenele caracteristice la ncovoiere, ntindere, compresiune respectiv forfecare.
m t c
Fig. 1.10 Valorile caracteristicilor lemnului masiv (C24),
lemnului ncleiat (Gl32) i ale lemnului laminat (LVL)
E- modul de elasticitate, fm , ft , fc , fv rezistenele caracteristice la ncovoiere, ntindere, compresiune respectiv forfecare
Fig. 2.20 -ncovoiere . Seciuni cu aceeai capacitate de rezisten la
a) - lemn masiv (C24) ; b) - lemn ncleiat (GL32) ; c) - lemnlaminat ( LVL) .
160 120 75
a) b) c)
h h h
Fig. 1.11 Seciuni cu aceeai capacitate de rezisten la ncovoiere
a) lemn masiv (C24); b) lemn ncleiat (GL32); c) - lemn laminat (LVL)
Lemnul stratificat nedensificat (STAS 10031-80) se produce cu grosimi de 1040 mm din 5
n 5 mm i cu formate de 1250 x 920 mm i 2000 x 920 mm, iar lemnul densificat (STAS 10032-80) se produce cu grosimi de 1050 mm din 5 n 5 mm i cu formate de 1250 x 920 mm, 1250 x 2000 mm i 1250 x 2220 mm. Principalele caracteristici ale celor dou categorii de lemn stratificat sunt date n tabelul 1.11
21
-
Tabelul 1.11 Caracteristicile lemnului stratificat produs n Romnia
Lemn nedensificat Lemn densificat Caracteristica Tip A Tip B Tip C Tip A Tip B Tip C Umiditatea la livrare (%) 8 8
Densitatea aparent (g/cm3) 8 1,2 Absoria de ap dup 24 de ore de
imersie (%) - 14
Rezistena la compresiune paralel cu fibrele straturilor exterioare
(N/mm2) 70 80 55 140 130 100
Rezistena la ncovoiere static perpendicular pe straturi (N/mm2) 100 100 80 180 130 100
Rezistena la traciune paralel cu fibrele straturilor exterioare (N/mm2) - - - 220 200 100
2.8. Panel
Panelul (STAS 1575-88) este un produs alctuit dintr-un miez de ipci de lemn masiv lipite sau nu ntre ele i acoperite pe ambele fee cu foi de furnir sau placaj. Fibrele foilor de furnir sunt perpendiculare pe direcia fibrelor ipcilor (fig.1.12). Orientarea fibrelor ipcilor de lemn este considerat ca fiind sensul de rezisten principal.
1
1
2
Fig. 2.21 - Panel1 - furnir (placaj) ; 2 - ipci de lemn .
Fig. 1.12 Panel
1 furnir (placaj); 2 ipci de lemn
n Romnia panelul se fabric cu ipci lipite ntre ele i are:
- grosime de 16; 18; 19; 22 i 25 mm; - formate (lungime x lime) de 1220x2200 mm; 1220x2440 mm; 1250x2000 mm.
2.9 Produse finite din lemn
Produsele finite din lemn pstreaz structura lemnului i se pun n oper fr nici o modificare
a dimensiunilor sau cu modificri minime. Din categoria acestora fac parte elementele folosite la pardosea (parchetele, frizurile,
pervazurile, pavelele , etc.), elementele pentru compartimentri i elementele de ui (panouri celulare). Parchetele se confecioneaz din lemn de rinoase (STAS 228/5-84), stejar (STAS 228/3-77),
fag (STAS 228/4-77).
22
-
Pavelele sunt elemente de lemn masiv, cilindrice sau prismatice, folosite pentru pavaje i pardoseli (STAS 3344/1-75).
Panourile celulare sunt formate dintr-un cadru rigid de lemn masiv, avnd n interior o serie de celule formate din fii de PFL, acoperit pe ambele fee cu plci PFL sau placaj (STAS 1624-86).
2.10 Panouri din particule din lemn
Pentru a nltura inconvenientele lemnului legate de dimensiuni i anizotropie n timp au fost cutate noi soluii de utilizare a lemnului. O prim cale de rezolvare n acest sens o constituie placajele i lemnul stratificat care au la baz furnirele i adezivi de legtur. O a doua rezolvare o constituie elementele tip realizate din particule din lemn (fibre, lamele, achi, etc.) aglomerate cu aditivi, asigurnd astfel punerea n valoare a tuturor rezervelor forestiere, inclusiv a deeurilor i a elementelor mici de lemn elemente n care particulele reprezint aproximativ 85% din volumul panoului i au la baz n principal lemnul de rinoase.
a) Panouri din achii de lemn (PAL) Plcile din achii de lemn sunt produse semifabricate care se obin prin prepararea la cald a
particulelor mici, fine sau a lamelelor de lemn amestecate cu un liant. Normele Europene CEN disting panourile propriu-zise din particule de lemn i panourile din lamele de lemn ( OSB Oriented Strand Board).
La panourile propriu-zise alctuite din particule de lemn, sunt folosite elemente de lemn (achii) care pot fi fine, normale (lungime maxim 20 mm) i mari (lungime minimum 32 mm). n masa panoului pot exista un singur tip de particule sau tipuri diferite; structura plcilor poate fi omogen sau stratificat cu trei sau cinci straturi. n cazul folosirii tipurilor diferite la suprafa se folosesc particule foarte fine, sub acestea se folosesc particule fine (max. 30 mm) iar particulele mari formeaz zona central; orientarea particulelor fiind aleatorie. Ca i liant se folosesc rini sintetice coninutul fiind de aprox. 11% din masa total, pentru straturile exterioare i 5% pentru zona central. Presarea se realizeaz perpendicular pe fee sau paralel cu feele (extrudare). n produs pot fi introduse diferite substane pentru mbuntirea unor caracteristici iar suprafaa exterioar poate fi prelucrat (lefuit) sau acoperit cu alte substane (caerat, furniruit, armat, melaminat, emailat etc.). Pe plan mondial se produc panouri cu grosimi de 6 mm40 mm, densiti de 450 kg/m3 .700 kg/m3 i dimensiuni de pn la 5m lungime i pn la 2,5m lime; elementele sunt debitate la dimensiuni de 2,4m x 1,2m pentru perei i 2,4m x 0,6m pentru planee. n Romnia, n funcie de densitate, plcile din PAL (STAS 6769-87) sunt clasificate n:
- uoare, cu densitatea sub 400 kg/m3; - semigrele, cu densitatea de 400 kg/m3800 kg/m3; - grele, cu densitatea peste 800 kg/m3.
Plcile din achii de lemn se pot folosi n interior sau exterior pentru mobilier, nnobilare sau pentru construcii. Plcile din interior antiseptizate i ignifugate PAL-AI (STAS 10146-80), se fabric n 3 clase de calitate (A, B, C) avnd grosimea de 8; 10; 12; 16; 18; 22 mm i dimensiuni de 3660x1830 mm i 1830 x 1830 mm.
Principalele caracteristici fizico-mecanice ale plcilor de interior sunt date n tabelul 1.12 Tabelul 1.12
Caracteristicile fizico-mecanice ale plcilor de interior PAL cu fee normale PAL cu fee fine Caracteristica Cal.A,B Cal. C Cal. B Cal. B Cal.C
Densitatea ( kg/m3 ) 550 800 680-850 Umiditate la livrare (% ) 82 82 Umflarea n grosime dup 2h imersie n ap (% )
max 14 max 16
23
-
Rezistena la ncovoiere static ( N/mm2 ) pentru : - plci de 8-12 mm - plci de 16-18 mm - plci de 22 mm
20.0 18.0 16.0
18.0 16.0 14.0
20.5 18.5 16.5
20.5 18.5 16.5
19.0 17.0 15.0
Plcile de exterior PAL CON ( STAS 10371-86), ncleiate cu rini fenolice, au grosimi de 8; 12; 16; 18; 22; 25 mm i dimensiuni de 2500x1220 mm i 3000x1220 mm. Plcile de exterior se produc n dou tipuri: - I.100, cu ncleiere rezistent la fierbere n ap; - I.100, cu ncleiere rezistent la fiertul n ap, la atacul ciupercilor i al insectelor. b) Panouri OSB (Oriented Strand Board) Panourile OSB se realizeaz din lamele de lemn legate cu rini sintetice, care reprezint 2 4 % din masa total. n America se folosesc lamele de dimensiuni mari avnd seciune ptrat cu latura de 75 mm i grosime de 0.4 mm 0.6mm iar n Europa lamelele folosite sunt cu seciune rectangular de lungime 50mm 70mm i lime de 20mm 30mm. Panourile se realizeaz din trei straturi. Straturile exterioare, egale ca grosime, au lamelele orientate paralel cu lungimea panoului iar stratul interior, care reprezint aproximativ 50% din volum, are lamelele orientate perpendicular pe lungimea panoului. Grosimea panoului este de 6..40 mm ( uzual de maximum 25 mm) iar densitatea este de 550750 kg/mc. n Europa, panourile OSB sunt realizate de grupul elveian KRONO iar n Romnia se folosesc produsele KRONOPOL (Polonia ) care au caracteristicile din tabelul 1.13a.
Conform standardului european produsele OSB se fabric n urmtoarele sortimente: OSB2 , de uz general utilizate n mediu uscat, la interior ; OSB 3 , utilizate la interior i exterior n mediu cu umiditate moderat; OSB4, utilizate ca elemente structurale n medii cu umiditate ridicat. Plcile se pot folosi la realizarea pereilor structurali, la realizarea elementelor planeelor (plci, grinzi cu inim plin sau cu goluri, etc.) sau ca i astereal la arpante.
Tabelul 1.13a Caracteristicile panourilor KRONOPOL
Tipul produsului Caracteristica OSB2 OSB3 OSB4
Grosime (mm)
610 >10 10 10
-
c) Panouri lemn ciment Aceste tipuri de panouri s-au dezvoltat ntre anii 1950 i 1960 i se obin din achii fine de
lemn sau particule de lemn legate cu ciment. Particulele, care au o orientare aleatorie, se amestec cu ciment i ap n raport 3:1:1 i cu eventuale substane acceleratoare de priz.
Amestecul se pune n oper de obicei n 3 straturi presate, dup care panourile se usuc la 70..80 0C timp de 68 ore iar apoi se taie la dimensiuni i se las 12..18 zile pentru ntrirea cimentului.
Grosimea panourilor este de 640 mm i au densitate de aproximativ 1200 Kg/mc
d) Panouri din fibre de lemn (P.F.L) Panourile sunt fabricate din fibre lignocelulozice, a cror coeziune se realizeaz fie prin
presare la cald sau uscare, fie datorit proprietile adezive proprii, fie prin adugare de liani. n acest produs pot fi ncorporai diferii adjuvani (adezivi, hidrofugani, antiseptizani, ignifugani, etc) n scopul modificrii uneia sau a mai multor proprieti. Pe plan internaional se fabric, prin procedeul umed sau uscat, 7 tipuri de panouri, difereniate n funcie de densitatea i proprietile lor (tabelul 1.13b).
Tabelul 1.13b Tipuri de panouri din fibre de lemn /36/
Densitatea Procedeul de obinere Sczut
-
CAP. II CARACTERISTICILE FIZICE I MECANICE ALE LEMNULUI
Dintre caracteristicile fizice si mecanice ale lemnului , in cele ce ureaza sunt trataate cele care au o importanta deosebita in evaluarea calitatii lemnului si a capacitatii sale portante. 1. CARACTERISTICI FIZICE 1.1 Umiditatea
Umiditatea lemnului reprezint o caracteristic deosebit de important care influeneaz toate proprietile fizice, mecanice, de deformaie i tehnologice ale lemnului i ale produselor derivate din lemn. Variaia umiditii duce, de asemenea, la modificarea n anumite limite a dimensiunilor elementelor.
n tabelul 2.1 sunt date valorile cuantificate ale efectului umiditii asupra principalelor proprieti mecanice ale lemnului fr defecte, n domeniul umiditii 8%20%. Practic se poate considera o variaie linear ntre umiditate i caracteristicile mecanice.
Tabelul 2.1 Variaia caracteristicilor lemnului pentru variaia umiditii cu 1% /30/
Caracteristica Variaia caracteristici (%) Compresiune paralel cu fibrele 5
Compresiune perpendicular pe fibre 5 ncovoiere 4 ntindere paralel cu fibrele 2,5 ntindere perpendicular pe fibre 2 Forfecare perpendicular pe fibre 2,5 Modul de elasticitate paralel cu fibrele 1,5
Datorit variaiei caracteristicilor lemnului cu umiditatea valorile lor sunt date pentru un
coninut standard de umiditate (n mod curent 12%) urmnd ca n practic s fie corectate n funcie de condiiile efective de lucru ale lemnului i umiditate. Coeficieni de corecie a rezistentelor sunt mui dup norma romneasc /40/ respectiv kmod dup norma european /30/,/38/. Coeficientul kmod ia n considerare efectul cumulat al umiditii i duratei de ncrcare.
Umiditatea relativ (ur) sau absolut (ua) a lemnului se determin prin metoda uscrii epruvetelor i se exprim prin raportul ntre cantitatea de ap i masa lemnului n stare natural respectiv uscat (mas constant dup o uscare la o temperatur de 1032oC) folosind-se relaiile:
ur = [(m1-m2) / m1] x100 [%] (2.1) ua = [(m1-m2) / m2] x 100 [%] (2.2)
unde: m1 masa epruvetei n stare natural, nainte de uscare, g ; m2- masa epruvetei dup uscare, g . Determinarea umiditii se poate face i cu metoda extraciei de ap (STAS 83-89) sau cu ajutorul
unor instrumente de msurtoare electrice care au la baz urmtoarele procedee: - msurarea rezistenei ntre doi electrozi introdui n lemn i alimentai cu un curent continuu; - msurarea proprietilor dielectrice ale lemnului plasat ntr-un cmp electric produs de doi electrozi amplasai pe suprafaa lemnului, sub un curent alternativ.
Apa din interiorul masei lemnoase poate avea una din urmtoarele forme: - apa liber ( capilar) care umple vasele lemnului i golurile intercelulare; - apa legat (hidroscopic sau coloidal) care se fixeaz pe pereii celulelor, ntre micelele
ce compun aceti perei; - apa de constituie, care face parte din substanele chimice ce alctuiesc masa lemnoas.
26
-
Din punct de vedere al umiditii masei lemnoase, respectiv a cantitii de ap din interiorul lemnului se disting dou domenii:
- domeniul higroscopic, cnd coninutul de umiditate a lemnului este inferior punctului de saturaie a fibrelor, care variaz la majoritate esenelor ntre 25%35% (stabilit practic la aprox. 28%); n acest domeniul umiditatea lemnului variaz funcie de umiditatea relativ a aerului i de temperatura mediului ambiant;
- domeniul capilar, cnd umiditatea este superioar punctului de saturaie a fibrelor. Exist de asemenea situaia n care lemnul este complet umed (umiditatea este mai mare de
40%, caracteristic lemnului aflat total n contact cu apa). Punctul de saturaie are o mare importan practic deoarece variaia umiditii sub aceast valoare
duce la schimbri importante ale proprietilor lemnului, la schimbarea dimensiunilor acestuia i d natere fenomenelor de contracie i de umflare.
Funcie de umiditate exist n general trei domenii i anume: - domeniul lemnului uscat, cu umiditate 20%; - domeniul lemnului semiuscat, cu umiditate 30% sau maximum 35% pentru
seciuni transversale de peste 200 cm2; - domeniul lemnului umed. n construcii, pentru evitarea unor fenomene negative cauzate de deformaii de contracie mari
trebuie ca lemnul i produsele de lemn s fie puse n oper cu o umiditate ct mai redus posibil. Valoarea normal a umiditii lemnului la punerea n oper se coreleaz cu domeniul de
utilizare. Normele germane DIN 1052 recomand urmtoarele valori pentru umiditatea lemnului la punerea n oper: - 9%3%), la construcii nchise, nclzite; - 12%3%, la construcii nchise, nenclzite ; - 15%3%, la construcii deschise dar acoperite ; - 18%, la construcii supuse intemperiilor .
Normele romneti de calcul i alctuire /40/ nu dau recomandri speciale privind umiditatea lemnului pus n oper, n diferite elemente i spaii, dar recomand o valoare maxim de 18% i adoptarea unor soluii constructive, msuri de protecie i detalii de alctuire care s permit ventilarea elementelor, fr a induce n structura de rezisten deformaii periculoase sau creterea eforturilor secionale. Caracteristicile lemnului sunt date ns pentru o umiditate de referin de 12%.
Uscarea lemnului se poate face natural (uscare n aer) dar aceasta dureaz mult timp chiar pentru elemente de dimensiuni transversale mici (scnduri, ipci, etc.). Pentru a reduce durata de uscare se recurge la uscarea artificial, lemnul fiind expus n camere de uscare la un curent de aer dirijat cu o umiditate i temperatur prescris. n acest mod se poate obine, ntr-un timp relativ scurt, un lemn cu o umiditate de 6%25%.
Din punct de vedere al condiiilor n care funcioneaz elementele de construcii din lemn sunt incluse n clase de exploatare care, conform normelor romneti /40/ i EUROCOD 5 / 38/, sunt urmtoarele : - clasa 1 de exploatare, caracterizat prin umiditatea coninut de materialul lemnos corespunztoare unei temperaturi = 20 2C i unei umiditi relative a aerului 65% ; - clasa 2 de exploatare, caracterizat prin umiditatea coninut de materialul lemnos corespunztoare unei temperaturi = 20 2C i unei umiditi relative a aerului 80%; - clasa 3 de exploatare, caracterizat prin umiditatea coninut de materialul lemnos superioar celui din clasa 2 de exploatare.
Conform claselor de exploatare menionate, la elementele de construcii umiditatea de echilibru este aprox. 12% pentru clasa 1 de exploatare i aprox. 18% pentru clasa 2 de exploatare.
Datorit caracterului su higroscopic, lemnul i schimb permanent umiditatea funcie de umiditatea mediului nconjurtor, tinznd spre o valoare de echilibru. n figura 2.1 sunt prezentate dup /30/, cu titlu exemplificativ, curbele de echilibru ntre coninutul de umiditate a lemnului ( %) i umiditatea relativ a mediului nconjurtor ( %) pentru o temperatur de 20C. Izoterma A reprezint realizarea echilibrului prin absorbie, izoterma B prin pierderea apei iar izoterma O prin variaia ciclic a umiditii mediului. Experienele au artat c raportul dintre realizarea echilibrului prin absorbie i prin pierderea apei (A/B) este de 0,80,9.
27
-
Fig. 3.1- Realizarea echilibrului higrometric ntre umiditatea lemnului i umiditatea mediului nconjurtor
0 10
10
20
30
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Umiditatea mediului (%)
O
B
AU
mid
itate
a de
echi
libru
a le
mnu
lui
(%
)
Fig. 2.1 Realizarea echilibrului higrometric ntre umiditatea lemnului i umiditatea mediului nconjurtor
n condiii climaterice constante realizarea echilibrului se produce ntr-o perioad relativ lung (de cteva sptmni) n funcie de dimensiunile elementelor, rezultnd c acest fenomen nu este afectat de variaiile de umiditate de scurt durat.
Pentru cazurile practice au fost propuse curbe de echilibru higroscopic a lemnului n funcie de factorii de mediu (umiditatea relativ i temperatura aerului interior), din spaiul n care funcioneaz elementele de construcie (fig. 2.2).
0 20
20
40
60
80
100
40 60 80temperatura aerului interior ( C)o
a a
erului
inter
ior
(%)
umidi
tatea
relat
iv
Fig. 3.2 - Curbele de echilibru higroscopic a lemnului n funcie de condiiile de mediu , /38/.
30% 28% 20%18%17%
umiditatea lemnului 2%
3%4%5%
6%
7%
8%
9%10%11%12%13%15%
Fig. 2.2 Curbele de echilibru higroscopic a lemnului n funcie de condiiile de mediu, /38/.
1.2. Densitatea Lemnul, prin structura sa, este un material mai mult sau mai puin poros dar densitatea real a substanei lemnoase este de 1,55 g/cm3 i este aceeai pentru toate esenele.
Densitatea aparent reprezint una din caracteristicile foarte importante ale lemnului deoarece proprietile fizice, mecanice i tehnologice ale lemnului sunt condiionate de valoarea de acesteia.
28
-
Variaia densitii lemnului influeneaz caracteristicile mecanice ale acestuia. Astfel s-a constatat, de exemplu pentru rinoase c variaia densitii caracteristice de la 500 kg/m3 la 400 kg/m3 duce la scderea rezistenei la compresiune cu pn la 30%; din acest motiv nu se folosete la elemente de rezisten lemn de rinoase cu densitate sub 400 kg/m3.
Densitatea aparent depinde de specia lemnului, de coninutul de umiditate (tabelul 2.2), de poziia lemnului i de zona din trunchi de unde este prelevat proba.
Tabelul 2.2 Densitatea aparent a diferitelor specii de lemn
Densitatea aparent a lemnului ( kg/mc) pentru lemn: Specie Verde Umiditate de 15% Uscat Brad 1000 450 410
Molid 740 480 430 Pin 700 520 490
Stejar 1110 740 650 Fag 1010 750 690
Frasin 920 760 680 Salcm 880 750 730
Tei 740 460 490 n practic se utilizeaz densitatea aparent a lemnului verde, densitatea n condiii climaterice
normale (+20C i 65% umiditate), densitatea lemnului uscat (o), i densitatea convenional (u) corespunztoare unei anumite umiditi, u%.
Densitatea aparent ( u ), influenat de esena i umiditatea lemnului, se exprim ca fiind raportul dintre masa epruvetei, mu i volumul ei, Vu , la umiditatea u%. u = mu /Vu = mo ( 1 + 0,01 u ) / Vo ( 1 + 0,01 u . V ) =
o ( 1 + 0,01 u )/ ( 1 + 0,01 u . V ) (2.3 ) unde:
o densitatea lemnului dup uscare artificial; mo i Vo - masa i volumul lemnului uscat; v coeficientul volumetric de umflare, cu semnificaia de la paragraful 3.
Practic densitatea lemnului uscat ( o ) se consider, n mod curent, pentru un coninut de umiditate de 12% i este notat cu 12 Pentru a determina densitatea la umiditatea de 12% funcie de densitatea la o anumit umiditate u % = 7..17% se poate folosi relaia:
12 = u [ 1 ( 1- ) ( u -12 ) / 100 ] (2.4 a) unde:
- coeficient de umflare n volum pentru variaia umiditii de 1% (STAS 85/1-91 i anexa STAS 84-87).
Valoarea 12 este considerat ca valoare medie (12,m). Valorile caracteristice ale densitilor (12,k) se determin, aplicnd funcia de distribuie normal i lund coeficientul de variaie maxim admis de 10% ( conf. STAS 2682-83), cu relaia:
12,k= 12,m 1,65 x ( 0,1 12,m ) ( 2.4.b )
La stabilirea celor mai defavorabile condiii de solicitare luate n considerare n calcul pentru greutatea proprie a elementelor de lemn se adopt dup /30/ valori caracteristice maxime ale densitii (0,95 = 1,16 12,m ) i valori minime (0,05 = 0,84 12,m ) funcie de efectul greutii n aciunea total.
Valorile maxime (0,95) i minime (0,05) ale densitii diferitelor specii de lemn care pot fi considerate la stabilirea greutii proprii a elementelor de construcii sunt date n tabelul 2.3 dup /40/ iar valorile caracteristice (k), dup EN338, sunt date n tabelele 2.9 i 2.10.
29
-
n anumite situaii densitatea se poate exprima i ca raport ntre masa lemnului uscat i volumul lemnului verde (numit densitate bazal). Aceast exprimare asigur aprecierea masei lemnoase uscate coninut ntr-un volum de lemn pe picioare (lemn netiat).
o,g = mo / Vg (2.5) Densitile o i 12 pot fi exprimate funcie de densitatea bazal cu expresiile /30/:
o = og / (1-28.10-5 o,g ) (2.6) 12= og / ( 1-16.10-5 o,g ) (2.7)
Tabelul 2.3 Valorile densitii lemnului pentru stabilirea greutii elementelor de construcii
Densitatea (kg/m3 ) Densitatea (kg/m3 ) Specia 0,05 0,95
Specia 0,05 0,95
Brad 400 480 Fag 630 750 Larice 500 600 Mesteacn 600 700
Molid 375 440 Paltin 510 600 Pin negru 520 750 Plop 310 550 Pin silvestru 430 560 Salcm 710 840 Carpen 775 900 Cer, gorun,
stejar 640 780
1.3. Contractia si umflarea
Prin contracie i umflare se nelege schimbarea dimensiunilor lemnului sub influena variailor de umiditate.
Deoarece din punct de vedere higroscopic pereii celulelor cuprind o cantitate de ap corespunztoare umiditii mediului nconjurtor aceast cantitate variaz cu umiditatea exterioar i provoac contracia sau umflarea lemnului.
Deformaiile datorit variaiei umiditii sunt influenate de specia lemnului, de structura i densitatea lui precum i de prezena n volumul elementelor din lemn a unei cantiti mari de lemn de alburn, care determin deformaii mai mari.
ntre variaia umiditii lemnului i modificarea dimensiunilor exist, n domeniul higroscopic, o relaie practic linear, care permite trasarea unor curbe de contracie sau umflare i arat c peste punctul de saturaie a fibrelor (aprox.30%) nu se mai produc schimbri de dimensiuni (fig. 2.3).
Contracia i umflarea sunt n mare majoritate reversibile i au valori mult diferite pe cele trei direcii ale lemnului (longitudinal, radial sau tangenial fig2.3). Schimbrile dimensiunilor sunt minime (practic neglijabile) pe direcie paralel cu fibrele, maxime n direcie tangenial la fibre i au valori medii n direcie radial (fig. 2.3).
Dei deformaiile longitudinale paralele cu fibrele sunt practic neglijabile la lemnul masiv, exist unele elemente de nlimi mari (cum sunt grinzile ncleiate) la care, datorit diferenelor de umiditate din fibrele extreme, pot aprea deplasri verticale importante de care trebuie s se in seama. Acest fenomen este accentuat iarna n situaia elementelor cu izolaie termic pe o anumit nlime cnd partea inferioar a grinzilor, situat la interior, este nclzit iar partea superioar este amplasat n zon rece i cu umiditate mai mare.
Contracia i umflarea snt caracterizate prin valorile coeficienilor de deformaie n sens longitudinal (l), radial ( r) i tangenial (t), calculai n % pentru 1% modificare de umiditate (tabelul 2.4).
Tabelul 2.4 Coeficienii deformaiilor de contracie i umflare
Coeficienii deformaiilor Specia de lemn Densitatea o ( g/cm3) t r l
Rinoase 0,40 0,24 0,12 0,01 Foioase 0,65 0,40 0,20 0,01
30
-
7,2-7,8%3,3 - 4,0%
0,1 - 0,4%
tangen ialradial
lo ngitud inal
0
3.6
0.3
6.0
7.2
12.0
10 20 30 40 50umiditatea lemnului (%)
cont
racie
sau u
mflar
e (
% )
Fig. 3.3 - Mrimea deformaiilor de contracie
radial
tangenial
conife r
conife r
fag, c onifer
fag
f a g
longitudinal
b)
a)
a) - valori ciei cu umiditatea .
le contraciilor la rinoase ; b) - variaia contra
Fig. 2.3 Mrimea deformaiilor de contracie
a) valorile contraciilor la rinoase; b) variaia contraciei cu umiditatea Dac deformaiile produse de variaiile de umiditate nu snt reduse de alte elemente de
construcii, de adezivi, etc., se pot calcula variaiile dimensionale (% ) pentru o variaie de umiditate (u % ) innd cont de valorile coeficienilor de deformaie (fig. 2.4).
b
b
h h
h
b
b
b = h 0,5 = ( ) + b 0,5 = ( ) +
u
u
u
Fig. 3.4 - Calculul deformaiilor
100
100
100
b
h
b
r
t
t
r
r
Fig. 2.4 Calculul deformaiilor Dup normele europene /30/ fenomenele de contracie i umflare sunt grupate sub denumirea de retractibilitate iar pentru schimbrile dimensionale n intervalul de umiditate 5% i 20% se poate folosi formula :
h2 = h1 [ 1+ (2 1) /100] (2.8)
31
-
unde: h1 i h2 - dimensiunile corespunztoare umiditi 1 respectiv 2; - coeficientul de retractibilitate (n procente pentru o variaie de umiditate de 1%). Pentru majoritatea tipurilor de lemn coeficientul de retractibilitate pe direcia paralel cu
fibrele ( 0) este practic neglijabil i considerat 0,01 iar pentru direcie perpendicular pe fibre (90) se consider 0,2 ; pentru unele foioase (ca de exemplu fagul) se pot considera i valori 90 = 0,3.
Fig. 3.5 - Deformaia elementelor de lemn datorit contraciei .
2m
2m
B
SC
2mT
a) - deformaii funcie de modul de debitare ; b) - deformaii la elemente subiri ( B - ncovoiere dup fa ; S - ncovoiere dup cant ; T - rsucire ; C - bombare ) .
a)
b)
Fig. 2.5 Deformaia elementelor de lemn datorit contraciei a) - deformaii funcie de modul de debitare; b) deformaii la elemente subiri
(B ncovoiere dup fa; S ncovoiere dup cant; T rsucire; C bombare).
n practic se poate folosi i coeficientul deformaiei volumetrice ( v) cu o valoare egal de 10-3 din valoarea numeric a masei volumetrice a lemnului; deoarece 0 este practic neglijabil rezult o valoare a coeficientului deformaiei transversale (90) practic egal cu valoarea coeficientului deformaiei volumetrice ( v).
Variaiile de contracie n raport cu umiditatea pot cauza, n timpul uscrii, pe lng variaia dimensiunilor i fenomene de torsiune, deformare i fisurare a lemnului a produselor din lemn, fenomene care pot afecta calitatea produselor i rezistena (fig.2.5).
Fenomenele de contracie i umflare pot crea de asemenea dificulti pentru mbinrile elementelor de lemn ducnd la jocuri i la pierderea unei pri a rezistenei mecanice a ansamblului. n astfel de situaii este recomandabil ca mbinrile s fie realizate n aa fel nct s permit asigurarea unei eventuale reglri periodice a mbinrii.
Deformaiile pronunate din contracie i umflare, mai ales n cazul elementelor subiri (scnduri), pot fi contracarate, n afar de msurile de uscare i de evitare a variaiilor de umiditate i printr-o serie de reguli de utilizare.
Pentru elementele la care deformaia de contracie nu este de dorit s apar se recomand folosirea unor scnduri radiale iar pentru aezarea i prinderea scndurilor tangeniale trebuie respectate o serie de reguli constructive (fig.2.6) atunci cnd acestea se folosesc /30/.
32
-
b
h
Fig. 3.6 - Reguli constructive pentru reducerea deformaiilor de contraciea) - aezarea scndurilor tangeniale ; b) - prinderea scndurilor ; c) - aezarea i prinderea cletilor ; d) - soluii pentru grinzi .
Corect
Corect
Corect Gresit
Gresit
Gresit
a)
b)
c) d)
4...5mm 2...2,5 cm(1/5...1/6) h
Fig. 2.6 Reguli constructive pentru reducerea deformaiilor de contracie
a) aezarea scndurilor tangeniale; b) prinderea scndurilor; c) aezarea i prinderea cletilor; d) soluii pentru grinzi
Astfel, la scndurile tangeniale aezate pe un rnd, dispunerea lor cu inelele anuale aezate
alternativ cu concavitatea n sus i n jos (fig.2.6a) este cea corect pentru contracararea deformaiei. De asemenea dispunerea cuielor sau a buloanelor de fixare trebuie s in seam de tendina de
deformare a elementelor asamblate. Spre exemplu n figura 2.6b se arat dispunerea incorect i corect a cuielor de prindere a scndurilor pentru a mpiedica tendina de deformare iar n fig. 2.6c dispunerea corect i incorect a cletilor la un pop de sarpant i modul de prindere a lor.
La grinzi, deoarece crpturile verticale exercit o influen mai mic dect crpturile orizontale asupra capacitii portante, se recomand ca atunci cnd exist posibilitatea apariiei unor contracii mari s se execute n axa grinzii crestturi verticale, avnd adncimi de 22,5 cm i limi de 45 mm( fig.2.6d.). Este bine, deasemenea, ca gurile pentru buloane de strngere s fie ovale, pentru a nu mpiedica deformaia liber i pentru a evita despicarea pieselor. 2. PROPRIETI TERMICE
Folosirea lemnului i a derivatelor sale n construcii i n special pentru izolaii i finisaje depinde n mare msur de proprietile termice favorabile pe o plaj foarte mare de temperaturi.
Din punct de vedere al conductibilitii termice, exprimat prin coeficientul de conductibilitate termic a lemnului uscat (sub 20% umiditate), acesta se poate considera un material bun izolator termic ( = 0,14.0,21 W/mk). Perpendicular pe fibre, este cu mult mai mic dect paralel cu acestea. Conductibilitatea termic depinde de densitatea lemnului i de umiditatea lui. Pentru densiti de 300800 kg/m3 i umiditate care nu depete 40% coeficientul de conductibilitate, pentru un flux perpendicular pe fibre, poate fi determinat cu relaia /41/: o = [ 237 + 0.02 o ( 1 + 2 ) ] 10-4 (2.9a) unde:
33
-
o coeficient de conductibilitate termic (W/mk); o - densitatea lemnului (kg/m3 ); umiditatea (%). ncercrile experimentale au artat c n intervalul de temperatur de la +20 0C la +100 0C, coeficientul de conductibilitate termic se poate determina cu relaia: = o [1 + ( 1,1 9,8 10-4 ) ( w 20 )/ 100] (2.9b) unde: coeficient de conductibilitate termic la temperatura w (W/mk); o coeficient de conductibilitate termic determinat cu relaia 2.9a ; - densitatea lemnului determinat la temperatura de +20 0.
Asemntor tuturor materialelor i lemnul i schimb dimensiunile proporional cu variaia de temperatur, n limitele normale de temperatur. Aceast modificare caracterizat prin coeficientul de dilataie termic T este diferit pe cele trei direcii principale (longitudinal, tangenial i radial), dar valoarea acestuia pe direcie longitudinal de (36)x10-6 are importan practic n comparaie cu valoarea perpendicular pe fibre care este de (1015)x10-6 . Comparativ cu oelul i betonul, coeficientul de dilataie termic longitudinal a lemnului este mult mai redus ceea ce face ca pentru construciile din lemn s nu fie necesare rosturi de dilataie termic. Acest lucru este favorizat i de faptul c schimbarea de temperatur duce la schimbri de umiditate care provoac contracii i umflri n sens invers deformaiilor din temperatur.
Cldura specific (c), pentru o umiditate a lemnului sub 20% are o valoare de aproximativ 5,07 W/kg.K
Cldura specific este foarte mult influenat de umiditatea lemnului, fiind cu aceasta ntr-o relaie de urmtoarea form: c = 1,16 ( 0,324 + u ) / ( 1+u ) [ w/kg.K] (2.9c) n partea 1.2 a normei EUROCOD 5 se propune calculul clduri specifice, pentru o umiditate i o temperatur w, cu relaia : c = ( c + cap ) / ( 1 + ) pentru w 1000C (2.9d ) c = c pentru w >1000C (2.9e ) unde: c = 1110 + 4,2 w cldura specific funcie de temperatur; cap = 4200 J/ kg K cldura specific a apei. 3. PROPRIETI MECANICE I DE DEFORMAIE
Proprietile mecanice ale lemnului depind de o serie de factori, dintre care cei mai importani sunt: caracterul si natura solicitrii, direcia solicitrii fa de fibre, viteza de ncrcare i durata de meninere a ncrcrii, structura i defectele lemnului, specia, umiditatea, etc.
Caracteristicile mecanice i de deformaii se determin n laborator pe epruvete de dimensiuni mici executate dintr-un lemn fr defecte, obinndu-se astfel rezistenele normate ale lemnului ideal sub ncrcri de scurt durat.
La ncercri trebuie s se aib n vedere prevederile STAS 2682-83 privind luarea probelor i debitarea epruvetelor, STAS 6300-81 privind atmosfera de condiionare i ncercare i STAS 83-89 privind determinarea umiditii.
Caracteristicile lemnului sunt influenate de umiditatea lemnului i, din acest motiv, toate sunt determinate pentru o umiditate de 12%.
Limitele n care variaz principalele caracteristici mecanice ale lemnului de construcie din Europa /17/, pentru o umiditate de 12%, sunt date n tabelul 2.5, lund n considerare direcia solicitrii( paralel cu fibrele, II i perpendicular pe fibre, ); valorile marcate n tabel sunt cele folosite n mod curent.
34
-
Tabelul 2.5. Caracteristicile mecanice i de deformaie a principalelor
esene de lemn, la umiditate de 12% /17/ Specia Modul de elasticitate
(N/mm2 ) Rezistena la compresiune (N/mm2 )
Rezistena la ntindere (N/mm2 )
Rezistena la ncovoiere (N/mm2 )
Rezistena la forfecare (N/mm2 )
Brad II
6000-11000-21000 150-300-500
30-40-79 2,0-5,8-9,5
21-90-245 1,5-2,7-4,0
49-66-136 -
4,0-6,7-12 -
Pin II
7000-12000-20000 -
30-47-94 3,7-7,7-14
35-104-196 1,0-3,0-4,4
35-87-206 -
6,0-10-15 -
Zad II
6300-13800-20000 -
35-55-81 - 7,5 -
- 107 - - 2,3 -
52-99-132 -
4,5-9,0-10 -
Fag II
10000-16000-22000 -
41-62-99 - 9,0 -
57-135-180 - 7,0 -
63-105-180 -
6,5-10-19 -
Stejar II
9200-13000-13500 -
42-54-87 8,0- 11-19
50-90-180 2,0-4,0-9,6
46-91-154 -
6,0-11-13 -
Recalcularea caracteristicilor de la umiditatea din momentul ncercrii la umiditatea de 12% se
face cu relaiile: 12 = [ 1+C ( u -12 ) ] (2.10a) 12 = [ 1+C ( u 12 ) ] (2.10b) E12 = E [ 1+C ( u 12 ) ] (2.10c)
unde: 12, 12, E12 - caracteristicile mecanice i de deformaie corespunztoare umiditii de 12% ; , , E - caracteristica mecanice i de deformaie corespunztoare umiditii din momentul ncercrii; u - umiditatea lemnului n momentul ncercrii ( %); C - coeficient de corecie, cu valori date n funcie de felul solicitrii, pentru: - compresiune paralel cu fibrele 0,040 - compresiune perpendicular pe fibre 0,035 - ntindere paralel cu fibrele 0,015 - ntindere perpendicular pe fibre: n direcie radial 0,010 n direcie tangenial 0,025 - ncovoiere static 0,040 - ncovoiere prin oc (rezilien) 0,020 - forfecare 0,030 - modul de elasticitate la compresiune i ntindere 0,015
Cu ajutorul rezistenelor normate ale lemnului ideal se determin rezistenele caracteristice ale lemnului ideal i rezistenele caracteristice ale lemnului natural innd cont i de defecte. De asemenea n calculele practice se are n vedere i efectul duratei de ncrcare asupra caracteristicilor de rezisten. 3.1 Rezistena la compresiune
n funcie de unghiul format de direcia solicitrii cu fibrele, se disting rezistena la compresiune longitudinal (paralel cu fibrele) i rezistena la compresiune transversal (perpendicular pe fibre). n calcule, pentru anumite situaii, n special la mbinri, un rol important revine i rezistenei la compresiune sub un anumit unghi fa de fibre.
Rezistena la compresiune paralel cu fibrele se determin conform STAS 86/1-87, pe epruvete prismatice cu latura de 20 cm i cu lungimea de 3060mm . Funcie de esena lemnului, rezistena la compresiune paralel cu fibrele este de 30..90 N/mm2, pentru rinoase valorile curente sunt de 4050 N/mm2.
35
-
La epruvete cu lungimi mari (cu lungime mai mare de ase ori dect cea mai mic latur a seciunii transversale) ruperea la compresiune longitudinal se produce prin flambaj lateral, fenomen care trebuie luat n considerare la aprecierea rezistenei.
La lemnul folosit n structuri, rezistena la compresiune paralel cu fibrele este influenat de umiditate, zvelteea barelor i de prezena defectelor, ajungnd la valori de 2540 N/mm2/30/.
Rezistena la compresiune transversal, perpendicular pe fibre (STAS 1348/87) se determin cu epruvete prismatice ca i rezistena paralel la fibre, fora fiind aplicat tangenial sau radial la inelele anuale. Rezistena la compresiune perpendicular pe fibre este de circa 510 ori mai mic dect rezistena paralel cu fibrele i are valori curente de 24 N/mm2. Influena defectelor asupra acestei rezistene este mai redus.
Solicitarea la compresiune transversal se poate ntlni att sub forma compresiunii i strivirii pe ntreaga suprafa a elementului ct i sub forma solicitrii pe o parte din lungime i lime. Rezistena la solicitarea pe ntreaga suprafa este mai mic dect n celelalte cazuri, cnd poate ajunge la valori de 68 N/mm2. Pentru elementele structurale, la calculele de proiectare se ine cont de efectul creteri rezistenei la compresiune local funcie de suprafaa comprimat, prin afectarea rezistenelor cu un coeficient supraunitar. Acest lucru se explic prin faptul c fibrele care nu sunt supuse la compresiune mpiedic deformaia fibrelor comprimate, fapt care mrete rezistena n ansamblu.
n situaii practice n special la mbinri apar cazuri de compresiune i sub un anumit unghi fa de fibre ( n mod curent de 200 700) Conform /30/ n cazurile cnd fora de compresiune face un anumit unghi () cu direcia fibrelor, rezistena la compresiune (f c, ) se calculeaz funcie de acest unghi, de rezisten la compresiune paralel cu fibrele (fc,o) i de rezistena la compresiune perpendicular pe fibre (fc,90), cu relaia dat n /30/:
f c, = fc,o fc,90 / ( fc,o sin 2 + fc,90 cos2 ) (2.11)
Valoarea rezistenei crete o dat cu micorarea unghiului dintre direcia fibrelor i direcia
de solicitare. 3.2 Rezistena la ntindere
Rezistena la ntindere se determin pe direcie paralel cu fibrele (STAS 336/1-88) i perpendicular pe fibre, radial sau tangenial (STAS 6291-89).
50 2525100 100
N NR60
4
20 20
20 4
Fig. 3.7 - Epruvete pentru determinarea rezistenei la ntindere
a)
b)20 2525 70
NN N
NN N
20 20
20 20
4
a) - b) - pentru ntindere perpendicular pe fibre .
pentru ntindere paralel cu fibrele ;
Determinarea se face pe epruvete de forma din fig.2.7a, pentru ncercarea paralel cu fibrele si de forma din fig.2.7b, pentru ncercarea perpendicular pe fibre.
Fig. 2.7 Epruvete pentru determinarea rezistenei la ntindere a) pentru ntindere paralel cu fibrele;
b) pentru ntindere perpendicular pe fibre
36
-
Rezistena la ntindere paralel cu fibrele este superioar de 2 pn la 2,5 ori rezistenei la compresiune i are valori de 60..150 N/mm2 pentru rinoase (valorile curente fiind de 80100 N/mm2).
Rezistena la traciune perpendicular pe fibre este cu mult mai mic dect cea paralel cu fibrele fiind aproximativ de 22,5% din rezistena la ntindere paralel cu fibrele fiind 1,54,0 N/mm2 (n mod curent ea este de 1..2 N/mm2). Valorile rezistenei sunt foarte mult dependente de volumul de lemn solicitat. Valoarea rezistenei la ntindere sub un anumit unghi fa de direcia fibrelor se poate determina cu o relaie similar cu relaia 2.9. ncercrile experimentale au artat ns c rezistena la ntindere sub un anumit unghi fa de fibre este cu mult mai sensibil la variaia unghiului dect rezistena la compresiune.
Rezistena la ntindere este influenat mai puin de umiditate dect rezistena la compresiune. Slbirile seciunii, neomogenitile i defectele lemnului (noduri, fibre nclinate, fisuri, etc.)
duc la micorarea simitoare a rezistenei la ntindere ceea ce face ca mrimea defectelor admise s fie limitat mult iar dimensiunile seciunii transversale ale elementelor ntinse s nu coboare sub anumite valori minime. 3.3 Rezistena la ncovoiere
Rezistena la ncovoiere static (STAS 337/1-88) se determin pe epruvete prismatice cu seciune transversal ptrat de latur 20 mm i lungime (n direcie paralel cu fibrele lemnului) de 300 mm; inelele anuale trebuie s fie paralele cu dou fee longitudinale i perpendiculare pe celelalte dou fee (fig. 2.8a).
n faza iniial, cnd solicitrile sunt mici, variaia eforturilor pe seciunea transversal este linear (fig. 2.8 b) . La momente ncovoietoare mari repartiia eforturilor pe seciunea transversal nu mai este linear ( fig. 2.8.c ); n zona comprimat se trece n domeniul plastic i se atinge rezistena limit la compresiune iar n zona ntins rezistena limit la ntindere care este sensibil mai mare dect cea la compresiune, face ca diagrama s-i pstreze mai mult timp variaia linear, n final ajungndu-se i aici n zona plastic. Att timp ct materialul rmne n ntregime n domeniul elastic axa neutr trece prin centrul de greutate al seciunii transversale dar ea ncepe s se deplaseze spre fibrele ntinse ndat ce fibrele extreme din zona comprimat au trecut n domeniul plastic.
Ruperea barelor ncovoiate se produce n urma ruperii fibrelor ntinse, cu formarea n prealabil pe faa comprimat a unor cute, la nceput mici i puin remarcate, care se extind apoi treptat de-a lungul feelor zonei comprimate i a seciunii.