Al diseñar, desarrollar o fabricar estructuras de madera, es importante conocer las propiedades de resistencia del material: la resistencia de diseño de la madera, que se mide como un kilogramo por centímetro cuadrado. Para estudiar los indicadores, se utilizan muestras de tamaños estándar, aserradas de tableros o madera del grado requerido, sin defectos externos, nudos y otros defectos. A continuación, se prueba la resistencia de la muestra a la compresión, la flexión y el estiramiento.
Tipos de madera
La madera es un material versátil que se puede procesar fácilmente y se utiliza en diversas áreas de producción: construcción, muebles, utensilios y otros artículos para el hogar. El área de aplicación depende del tipo de madera con diferentes propiedades físicas, químicas y mecánicas. En la construcción, las coníferas como el abeto, el cedro, el pino, el alerce y el abeto son especialmente populares. En menor medida, árboles de hoja caduca: abedules, álamos, álamos, robles, avellanos, tilos, alisos, hayas.
Las variedades de coníferas se utilizan en forma de madera en rollo, madera, tableros para la fabricación de pilotes de soporte, armaduras, postes, puentes, casas, arcos, instalaciones industriales y otras estructuras de construcción. Los materiales de madera dura representan solo una cuarta parte del consumo total. Esto se debe a las peores propiedades físicas y mecánicas de las maderas duras, por lo que se está tratando de utilizarlas para la fabricación de estructuras con bajas cargas portantes. Por lo general, van a nodos de objetos temporales y de borrador.
El uso de la madera en la construcción está regulado por normas de acuerdo con las propiedades físicas y mecánicas de la madera. Estas propiedades dependen de la humedad y la presencia de defectos. Para elementos de carga, la humedad no debe exceder el 25%, para otros productos no existen tales requisitos, pero existen estándares para defectos específicos de la madera.
Composición química
En el 99% de la masa de madera se encuentran sustancias orgánicas. La composición de partículas elementales para todas las rocas es la misma: nitrógeno, oxígeno, carbono e hidrógeno. Forman largas cadenas de moléculas más complejas. La madera se compone de:
- La celulosa es un polímero natural con un alto grado de polimerización de moléculas en cadena. Sustancia muy estable, no se disuelve en agua, alcohol o éter.
- La lignina es un polímero aromático con una estructura molecular compleja. Contiene una gran cantidad de carbono. Gracias a él aparece la lignificación de los troncos de los árboles.
- La hemicelulosa es un análogo de la celulosa ordinaria, pero con un menor grado de polimerización de las cadenas moleculares.
- Extractivosustancias - resinas, gomas, grasas y pectinas.
El alto contenido de resinas en los árboles de coníferas preserva el material y le permite conservar sus propiedades originales durante mucho tiempo, lo que ayuda a resistir las influencias externas. Los productos de madera de baja calidad y con un elevado número de defectos se utilizan principalmente en la industria química de la madera como materia prima para la fabricación de papel, madera encolada o la extracción de elementos químicos como los taninos utilizados en la fabricación del cuero.
Apariencia
La madera tiene las siguientes propiedades externas:
- Color. Percepción visual de la composición espectral reflejada de la luz. Importante al elegir los troncos de aserrío como material de acabado.
- La coloración depende de la edad y tipo de árbol, así como de las condiciones climáticas donde creció.
- Brillo. La capacidad de reflejar la luz. La tasa más alta se observa en roble, fresno, acacia.
- Textura. El patrón formado por los anillos anuales del tronco.
- Microestructura. Determinado por el ancho del anillo y el contenido de madera tardía.
Los indicadores se utilizan en la evaluación externa de la calidad de la tala. La inspección visual revela los defectos y la idoneidad de los materiales para su uso posterior.
Defectos de la madera
A pesar de las evidentes ventajas sobre los materiales sintéticos, la madera, como cualquier materia prima natural, tiene sus inconvenientes. Se regula la presencia, grado y área de la lesióndocumentos normativos. Los principales defectos de la madera incluyen:
- derrota, podredumbre, hongos y plagas;
- oblicuo;
- bolsillos de resina;
- nudos;
- grietas.
El nudo reduce la resistencia de la madera, de particular importancia es su número, tamaño y ubicación. Los nudos se dividen en tipos:
- Saludable. Crecen apretadamente junto con el cuerpo del árbol y siéntense firmemente en los bolsillos, no se pudran.
- Desplegable. Pelar y caer después de serrar el material.
- Caliente. De color oscuro y con una estructura más densa en relación con la madera vecina;
- Oscurecido. Nudos con la etapa inicial de descomposición.
- Suelto - podrido.
Según la ubicación, los nudos se dividen en:
- cosido;
- garras;
- demasiado grande;
- hijastros.
Slant también reduce la resistencia a la flexión de la madera y se caracteriza por la presencia de grietas y capas en espiral en la madera redonda, en el material aserrado se dirigen en ángulo a las nervaduras. Los productos con tal defecto son de baja calidad, utilizados exclusivamente como fortificaciones temporales.
Las causas de las grietas dependen de las condiciones externas y del tipo de madera. Se forman como resultado de un secado desigual, heladas, estrés mecánico y muchos otros factores. Aparecen tanto en árboles vivos como en árboles cortados. Según la posición en el tronco y la forma, las grietas se denominan:
- escarchado;
- sernita;
- méticos;
- reducir.
Las grietas no solo reducen la calidad de la madera, sino que también contribuyen a la rápida descomposición y destrucción de las fibras.
La podredumbre se forma como resultado de la infección con hongos putrefactivos y de otro tipo que aparecen en los árboles en crecimiento y talados. Los hongos que viven en los troncos vivos son parásitos, que infectan los anillos anuales y hacen que se desprendan. Otras especies ya se asientan en estructuras terminadas y causan descomposición, delaminación, agrietamiento.
El motivo de la aparición de organismos nocivos es un entorno favorable para su reproducción: humedad superior al 50% y calor. En madera bien seca, los microorganismos no se desarrollan. Una categoría especial de plagas debe incluir insectos que prefieren instalarse en estructuras de madera, moviéndose en ellas, dañando así las fibras y reduciendo su resistencia.
Humedad de la madera
Uno de los indicadores importantes para la resistencia normativa y de diseño de la madera. Afecta el porcentaje de agua en las fibras del tronco. Humedad - porcentaje de la masa de humedad del material seco. La fórmula de cálculo se ve así: W=(m–m0)/m0 100, donde m es la masa inicial de la pieza de trabajo, m 0 - peso de la muestra seca absoluta. La humedad se determina de dos maneras: secando y utilizando medidores de humedad electrónicos especiales.
La madera se divide en varios tipos según su contenido de humedad:
- Mojado. Concontenido de humedad de más del 100%, lo que corresponde a una larga permanencia en el agua.
- Recién cortado. Con un contenido del 50 al 100%.
- Secar al aire. Con un contenido de agua en fibra que oscila entre el 15 y el 20 %.
- Habitación seca. Con un contenido de humedad de 8 a 12%.
- Totalmente seco. Con 0% de contenido de agua, obtenido por secado a 102°.
El agua está en el árbol en forma atada y libre. La humedad libre se encuentra en las células y el espacio intercelular, ligada, en forma de enlaces químicos.
Influencia de la humedad en las propiedades de la madera
Existen varios tipos de propiedades según el contenido de humedad en la estructura de la madera:
- La contracción es una disminución en el volumen de las fibras de pulpa de madera cuando se les elimina el agua unida. Cuantas más fibras, más humedad del tipo unido. Quitar la humedad no da ese efecto.
- Warping - un cambio en la forma de la madera en el proceso de secado. Ocurre cuando los troncos no se secan o aserran correctamente.
- Absorción de humedad: la higroscopicidad de la madera o la capacidad de absorber la humedad del entorno.
- Hinchamiento - un aumento en el volumen de las fibras de madera cuando el material está en un ambiente húmedo.
- Absorción de agua: la capacidad de la madera para aumentar su propia humedad al absorber el líquido que gotea.
- Densidad - medida como masa por unidad de volumen. A medida que aumenta la humedad, aumenta la densidad y viceversa.
- Permeabilidad: la capacidad de pasar agua a través de sí misma bajo alta presión.
Después del secadola madera pierde su elasticidad natural y se vuelve más rígida.
Dureza
El coeficiente de dureza se determina mediante el método Brinell o la prueba Yankee. Su diferencia fundamental radica en la técnica de medición. Según Brinell, se coloca una bola de acero endurecido sobre una superficie plana de madera y se le aplica una fuerza de 100 kilogramos, después de lo cual se mide la profundidad del orificio resultante.
La prueba Yankee usa una bola de 0.4 pulgadas y mide cuánta fuerza, en libras, se necesita para empujar la bola a la mitad del diámetro dentro del árbol. En consecuencia, cuanto mayor sea el resultado, más duro será el árbol y mayor será el coeficiente. Sin embargo, dentro de una misma variedad, difieren los indicadores, que dependen del método de corte, la humedad y otros factores.
A continuación se muestra una tabla de dureza de la madera Brinell y Yankee para las especies más comunes.
| Nombre | Dureza Brinell, kg/mm2 | Dureza yanqui, libras |
| Acacia | 7, 1 | |
| Abedul | 3 | 1260 |
| Abedul de Carelia | 3, 5 | 1800 |
| Olmo | 3 | 1350 |
| Pera | 4, 2 | |
| Roble | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| Pícea | 660 | |
| Tilo | 400 | |
| Alerce | 2, 5 | 1200 |
| Aliso | 3 | 590 |
| Nogal europeo | 5 | |
| Nogal Español | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Abeto | 350-500 | |
| Rowan | 830 | |
| Pino | 2, 5 | 380-1240 |
| Cereza | 3, 5 | |
| manzano | 1730 | |
| Ceniza | 4-4, 1 | 1320 |
De la tabla de dureza de la madera se puede ver que:
- álamo temblón, abeto picea, pino - árboles muy suaves;
- abedul, tilo, aliso y alerce son maderas blandas;
- el olmo y el nogal son de dureza media;
- roble, manzano, cerezo, fresno, peral y tienen un coeficiente de dureza normal;
- la haya, el algarrobo y el tejo son variedades muy duras.
La madera dura es duraderaa la tensión mecánica y se utiliza para componentes críticos de estructuras de madera.
Densidad
La densidad está directamente relacionada con el contenido de humedad de las fibras. Por lo tanto, para obtener indicadores de medición homogéneos, se seca a un nivel del 12%. Un aumento en la densidad de la madera conduce a un aumento en su masa y resistencia. Según la humedad, la madera se divide en varios grupos:
- Las rocas de menor densidad (hasta 510 kg/m3). Estos incluyen abetos, pinos, piceas, álamos, cedros, sauces y nogales.
- Tintos de densidad media (en el rango de 540-750 kg/m3). Estos incluyen alerce, tejo, olmo, abedul, haya, peral, roble, fresno, serbal, manzano.
- Rocas con alta densidad (más de 750 kg/m3). Esta categoría incluye abedul y stock.
A continuación se muestra una tabla de densidad para diferentes especies de árboles.
| Nombre de la raza | Densidad de la roca, kg/m3 |
| Acacia | 830 |
| Abedul | 540-700 |
| Abedul de Carelia | 640-800 |
| Haya | 650-700 |
| Cereza | 490-670 |
| Olmo | 670-710 |
| Pera | 690-800 |
| Roble | 600-930 |
| Pícea | 400-500 |
| Sauce | 460 |
| Cedro | 580-770 |
| arce europeo | 530-650 |
| arce canadiense | 530-720 |
| arce de campo | 670 |
| Alerce | 950-1020 |
| Aliso | 380-640 |
| Nogal | 500-650 |
| Aspen | 360-560 |
| Abeto | 350-450 |
| Rowan | 700-810 |
| Lila | 800 |
| Ciruela | 800 |
| Pino | 400-500 |
| Álamo | 400-500 |
| Thuya | 340-390 |
| Cereza de pájaro | 580-740 |
| Cereza | 630 |
| manzano | 690-720 |
Las especies de coníferas tienen la densidad más baja, mientras que las especies de hoja caduca tienen la densidad más alta.
Estabilidad
La resistencia calculada de la madera incluye la estabilidad aexposición a la humedad. El grado se mide en una escala de cinco puntos cuando cambia la humedad del aire:
- Inestabilidad. Aparece una deformación significativa incluso con un ligero cambio en la humedad.
- Estabilidad media. Aparece un grado notable de deformación con un ligero cambio en la humedad.
- Estabilidad relativa. Aparece un ligero grado de deformación con un ligero cambio en la humedad.
- Estabilidad. Sin deformación visible con un ligero cambio en la humedad.
- Estabilidad absoluta. No hay absolutamente ninguna deformación incluso con un gran cambio en la humedad.
A continuación se muestra un gráfico de estabilidad de especies de madera comunes.
| Nombre de la raza | Grado de estabilidad |
| Acacia | 2 |
| Abedul | 3 |
| Abedul de Carelia | 3 |
| Haya | 1 |
| Cereza | 4 |
| Olmo | 2 |
| Pera | 2 |
| Roble | 4 |
| Pícea | 2 |
| Cedro | 4 |
| Arce europeo | 2 |
| Arce canadiense | 2 |
| Arce de campo | 1 |
| Alerce | 2-3 |
| Aliso | 1 |
| Nogal americano | 4 |
| Nuez de Brasil | 2 |
| Nogal | 4 |
| Nogal europeo | 4 |
| Nogal Español | 3 |
| Aspen | 1 |
| Abeto | 2 |
| Álamo | 1 |
| Cereza de pájaro | 1 |
| Cereza | 2 |
| manzano | 2 |
Las cifras están calculadas para madera con un contenido de humedad del 12%.
Características mecánicas
La calidad de la madera está determinada por los siguientes indicadores:
- Resistencia al desgaste: la capacidad de la madera para resistir el desgaste durante la fricción. Con un aumento en la dureza del material, su desgaste disminuye con una distribución desigual sobre la superficie de la muestra. El contenido de humedad de la madera también afecta la resistencia al desgaste. Cuanto menor sea, mayor será la resistencia.
- Deformabilidad: la capacidad de restaurar la forma después de la desaparición de las fuerzas actuantes. Cuando la madera se comprime,deformación de la pieza de trabajo, que desaparece con la carga. El principal indicador de la deformabilidad es la elasticidad, que aumenta con el contenido de humedad de la madera. Con el secado gradual se pierde elasticidad, lo que conduce a una disminución de la resistencia a la deformación.
- Flexibilidad: la capacidad natural de la madera para doblarse bajo cargas. Las especies de hoja caduca tienen buen comportamiento, las coníferas en menor medida. Estas capacidades son importantes en la fabricación de productos doblados, que primero se humedecen y luego se doblan y se secan.
- Resistencia al impacto: la capacidad de absorber la fuerza del impacto sin astillar la madera. La prueba se lleva a cabo utilizando una bola de acero, que se deja caer sobre la pieza de trabajo desde una altura. Las variedades de hoja caduca muestran mejores resultados que las coníferas.
Las cargas constantes deterioran gradualmente las propiedades de la madera y provocan la fatiga del material. Incluso el árbol más duradero no puede resistir las influencias externas.
Especificaciones reglamentarias
Los indicadores de resistencia normativa son necesarios para la fabricación de varios tipos de estructuras. La madera se considera adecuada si los indicadores no son inferiores a los valores calculados. En las pruebas, solo se utilizan muestras estándar con un contenido de humedad de no más del 15%. Para madera con un valor de humedad diferente, se usa una fórmula especial para la resistencia de diseño, luego los indicadores se convierten a valores estándar.
Al diseñar estructuras de madera, es importante conocer los valores reales de resistencia del material de origen. En realidad, son menores que los normativos obtenidos en muestras de prueba. Dato de referenciaobtenido por carga y deformación de muestras de tamaños estándar.
Características del diseño
La resistencia de diseño de la madera son las tensiones en diferentes planos de muestras de madera creadas por ciertas cargas que un árbol puede soportar cualquier cantidad de tiempo hasta que se destruye por completo. Estas cifras difieren para estiramiento, compresión, flexión, cizallamiento y aplastamiento.
Las cifras reales se obtienen multiplicando los datos normativos por los coeficientes de las condiciones de trabajo.
| Nombre | Coeficiente de resistencia de la madera de diseño | ||
| Esfuerzo a lo largo de las fibras | Tensión en las fibras | Astillado | |
| Alerce | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| cedro siberiano | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| Pino | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Abeto | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Roble | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| Arce, Fresno | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Acacia | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| Haya, abedul | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Olmo | 1 | 1, 6 | 1 |
| Álamo, aliso, álamo temblón, tilo | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
Las condiciones de trabajo están influenciadas por toda una lista de factores. Los coeficientes anteriores tienen en cuenta dichos factores. Cualquier exposición a la humedad en las estructuras da como resultado una reducción en el rendimiento final.
Conclusión
Al diseñar estructuras de madera, es importante conocer los indicadores calculados de los materiales utilizados en la construcción. Los nodos individuales experimentarán cargas permanentes o temporales que pueden conducir a su destrucción completa. Los datos especificados en GOST y SNiP se obtuvieron analizando muestras estándar. Sin embargo, los valores reales diferirán mucho de los normativos. Por lo tanto, para los cálculos se utilizan las fórmulas proporcionadas por las normas.
