Lors de la conception, du développement ou de la fabrication de structures en bois, il est important de connaître les propriétés de résistance du matériau - la résistance de conception du bois, qui est mesurée à un kilogramme par centimètre carré. Pour étudier les indicateurs, des échantillons de tailles standard sont utilisés, sciés à partir de planches ou de bois de la qualité requise, sans défauts externes, nœuds et autres défauts. Ensuite, l'échantillon est testé pour sa résistance à la compression, à la flexion et à l'étirement.
Types de bois
Le bois est un matériau polyvalent qui peut être facilement traité et est utilisé dans divers domaines de production: construction, meubles, ustensiles et autres articles ménagers. Le domaine d'application dépend du type de bois avec différentes propriétés physiques, chimiques et mécaniques. Dans la construction, les conifères tels que l'épicéa, le cèdre, le pin, le mélèze et le sapin sont particulièrement populaires. Dans une moindre mesure, les arbres à feuilles caduques - bouleau, peuplier, tremble, chêne, noisetier, tilleul, aulne, hêtre.
Les variétés de conifères sont utilisées sous forme de bois rond, de bois, de planches pour la fabrication de pieux, de fermes, de poteaux, de ponts, de maisons, d'arches, d'installations industrielles et d'autres structures de construction. Les matériaux feuillus ne représentent qu'un quart de la consommation totale. Cela est dû aux moins bonnes propriétés physiques et mécaniques du bois de feuillus, de sorte qu'ils essaient d'être utilisés pour la fabrication de structures à faibles charges portantes. Habituellement, ils vont aux nœuds d'objet provisoires et temporaires.
L'utilisation du bois dans la construction est régie par des règles en fonction des propriétés physiques et mécaniques du bois. Ces propriétés dépendent de l'humidité et de la présence de défauts. Pour les éléments porteurs, l'humidité ne doit pas dépasser 25 %, pour les autres produits, il n'y a pas de telles exigences, mais il existe des normes pour les défauts spécifiques du bois.
Composition chimique
Dans 99% de la masse de bois sont des substances organiques. La composition des particules élémentaires pour toutes les roches est la même: azote, oxygène, carbone et hydrogène. Ils forment de longues chaînes de molécules plus complexes. Le bois se compose de:
- La cellulose est un polymère naturel avec un haut degré de polymérisation des molécules de la chaîne. Substance très stable, ne se dissout pas dans l'eau, l'alcool ou l'éther.
- La lignine est un polymère aromatique avec une structure moléculaire complexe. Contient une grande quantité de carbone. Grâce à lui, la lignification des troncs d'arbres apparaît.
- L'hémicellulose est un analogue de la cellulose ordinaire, mais avec un degré inférieur de polymérisation des molécules de la chaîne.
- Extractifsubstances - résines, gommes, graisses et pectines.
La teneur élevée en résines des conifères préserve le matériau et lui permet de conserver longtemps ses propriétés d'origine, en aidant à résister aux influences extérieures. Les produits en bois de qualité inférieure avec un nombre élevé de défauts sont principalement utilisés dans l'industrie chimique du bois comme matière première pour la fabrication de papier, de bois collé ou l'extraction d'éléments chimiques tels que les tanins utilisés dans la fabrication du cuir.
Apparence
Le bois a les propriétés externes suivantes:
- Couleur. Perception visuelle de la composition spectrale réfléchie de la lumière. Important lors du choix des grumes de sciage comme matériau de finition.
- La coloration dépend de l'âge et du type d'arbre, ainsi que des conditions climatiques où il a poussé.
- Briller. La capacité de réfléchir la lumière. Le taux le plus élevé est noté dans le chêne, le frêne, l'acacia.
- Texture. Le motif formé par les cernes annuels du tronc.
- Microstructure. Déterminé par la largeur des cernes et la teneur en bois final.
Les indicateurs sont utilisés dans l'évaluation externe de la qualité de l'exploitation forestière. L'inspection visuelle révèle les défauts et l'adéquation des matériaux pour une utilisation ultérieure.
Défauts du bois
Malgré des avantages évidents par rapport aux matériaux de synthèse, le bois, comme toute matière première naturelle, a ses inconvénients. La présence, le degré et la zone de la lésion sont réglementésdocuments normatifs. Les principaux défauts du bois incluent:
- défaite, pourriture, champignons et parasites;
- oblique;
- poches en résine;
- nœuds;
- fissures.
Knotness réduit la résistance du bois, d'une importance particulière est leur nombre, leur taille et leur emplacement. Les nœuds sont divisés en types:
- Sain. Grandir étroitement avec le corps de l'arbre et s'asseoir fermement dans les poches, ne pas pourrir.
- Liste déroulante. Décollez et tombez après avoir scié le matériau.
- Chaude. De couleur foncée et ont une structure plus dense par rapport au bois voisin;
- Assombrie. Noeuds avec le stade initial de décomposition.
- Lâche - pourri.
Selon l'emplacement, les nœuds sont divisés en:
- cousu;
- griffé;
- envahi par la végétation;
- beau-fils.
Slant réduit également la résistance à la flexion du bois et se caractérise par la présence de fissures et de couches en spirale dans le bois rond, dans le matériau scié, elles sont dirigées à un angle par rapport aux nervures. Les produits présentant un tel défaut sont de qualité inférieure, utilisés exclusivement comme fortifications temporaires.
Les causes des fissures dépendent des conditions extérieures et des essences de bois. Ils se forment à la suite d'un séchage inégal, du gel, de contraintes mécaniques et de nombreux autres facteurs. Ils apparaissent à la fois sur les arbres vivants et sur ceux coupés. Selon la position sur le tronc et la forme, les fissures sont appelées:
- glacial;
- sernitsa;
- metics;
- rétrécir.
Les fissures réduisent non seulement la qualité du bois, mais contribuent également à la décomposition et à la destruction rapides des fibres.
La pourriture se forme à la suite d'une infection par des champignons putréfiants et d'autres types de champignons qui apparaissent sur les arbres en croissance et abattus. Les champignons qui vivent sur les troncs vivants sont des parasites, qui infectent les cernes annuels et les font se décoller. D'autres espèces se déposent déjà sur les structures finies et provoquent la décomposition, le délaminage, la fissuration.
La raison de l'apparition d'organismes nuisibles est un environnement favorable à leur reproduction: humidité supérieure à 50 % et chaleur. Sur du bois bien séché, les micro-organismes ne se développent pas. Une catégorie spéciale de parasites devrait inclure les insectes qui préfèrent s'installer dans les structures en bois, y faisant des mouvements, endommageant ainsi les fibres et réduisant leur résistance.
Humidité du bois
L'un des indicateurs importants de la résistance normative et de conception du bois. Il affecte le pourcentage d'eau dans les fibres du tronc. Humidité - pourcentage de la masse d'humidité par rapport au matériau sec. La formule de calcul ressemble à ceci: W=(m–m0)/m0 100, où m est la masse initiale de la pièce, m 0 - poids de l'échantillon sec absolu. L'humidité est déterminée de deux manières: par séchage et à l'aide d'humidimètres électroniques spéciaux.
Le bois est divisé en plusieurs types selon la teneur en humidité:
- Mouillé. Avectaux d'humidité supérieur à 100%, ce qui correspond à un long séjour dans l'eau.
- Fraîchement coupé. Avec un contenu de 50 à 100 %.
- Séchage à l'air libre. Avec une teneur en eau des fibres allant de 15 à 20 %.
- Chambre sèche. Avec une teneur en humidité de 8 à 12 %.
- Totalement sec. A 0% d'eau, obtenu par séchage à 102°.
L'eau est dans l'arbre sous forme liée et libre. L'humidité libre est dans les cellules et l'espace intercellulaire, liée - sous la forme de liaisons chimiques.
Influence de l'humidité sur les propriétés du bois
Il existe plusieurs types de propriétés en fonction de la teneur en humidité de la structure du bois:
- Le rétrécissement est une diminution du volume des fibres de pâte de bois lorsque l'eau liée en est retirée. Plus il y a de fibres, plus il y a d'humidité du type lié. L'élimination de l'humidité ne donne pas un tel effet.
- Warping - un changement dans la forme du bois en cours de séchage. Se produit lorsque les grumes ne sont pas correctement séchées ou sciées.
- Absorption d'humidité - l'hygroscopicité du bois ou la capacité d'absorber l'humidité de l'environnement.
- Gonflement - une augmentation du volume des fibres de bois lorsque le matériau se trouve dans un environnement humide.
- Absorption d'eau - la capacité du bois à augmenter sa propre humidité en absorbant les gouttes de liquide.
- Densité - mesurée en masse par unité de volume. À mesure que l'humidité augmente, la densité augmente, et vice versa.
- Perméabilité - la capacité de faire passer l'eau à travers elle-même sous haute pression.
Après séchagele bois perd son élasticité naturelle et devient plus rigide.
Dureté
Le coefficient de dureté est déterminé selon la méthode Brinell ou le test Yankee. Leur différence fondamentale réside dans la technique de mesure. Selon Brinell, une bille d'acier trempé est placée sur une surface plane en bois et une force de 100 kilogrammes lui est appliquée, après quoi la profondeur du trou résultant est mesurée.
Le test Yankee utilise une balle de 0,4 pouce et mesure la force, en livres, nécessaire pour pousser la balle de la moitié du diamètre dans l'arbre. Ainsi, plus le résultat est élevé, plus l'arbre est dur et plus le coefficient est élevé. Cependant, au sein d'une même variété, les indicateurs diffèrent, qui dépendent de la méthode de coupe, de l'humidité et d'autres facteurs.
Vous trouverez ci-dessous un tableau des duretés Brinell et Yankee du bois pour les essences les plus courantes.
| Nom | Dureté Brinell, kg/mm2 | Dureté Yankee, livres |
| Acacia | 7, 1 | |
| Bouleau | 3 | 1260 |
| Bouleau de Carélie | 3, 5 | 1800 |
| Orme | 3 | 1350 |
| Poire | 4, 2 | |
| Chêne | 3, 7-3, 9 | 1360 |
| épicéa | 660 | |
| Tilleul | 400 | |
| Mélèze | 2, 5 | 1200 |
| Aulne | 3 | 590 |
| Noyer européen | 5 | |
| Noyer espagnol | 3, 5 | |
| Aspen | 420 | |
| Sapin | 350-500 | |
| Rowan | 830 | |
| Pin | 2, 5 | 380-1240 |
| Cerise | 3, 5 | |
| Pommier | 1730 | |
| Frêne | 4-4, 1 | 1320 |
D'après le tableau de dureté du bois, on peut voir que:
- tremble, sapin épicéa, pin - arbres très doux;
- le bouleau, le tilleul, l'aulne et le mélèze sont des bois tendres;
- l'orme et le noyer sont moyennement durs;
- chêne, pommier, cerisier frêne, poirier et ont un coefficient de dureté normal;
- hêtre, robinier et if sont des variétés très dures.
Le bois dur est durableaux contraintes mécaniques et est utilisé pour les composants critiques des structures en bois.
Densité
La densité est directement liée à la teneur en humidité des fibres. Par conséquent, afin d'obtenir des indicateurs de mesure homogènes, il est séché à un niveau de 12 %. Une augmentation de la densité du bois entraîne une augmentation de sa masse et de sa résistance. Selon l'humidité, le bois est divisé en plusieurs groupes:
- Les roches de plus faible densité (jusqu'à 510 kg/m3). Ceux-ci incluent le sapin, le pin, l'épicéa, le peuplier, le cèdre, le saule et le noyer.
- Rouges de densité moyenne (de l'ordre de 540-750 kg/m3). Ceux-ci incluent le mélèze, l'if, l'orme, le bouleau, le hêtre, le poirier, le chêne, le frêne, le sorbier, le pommier.
- Roches à haute densité (plus de 750 kg/m3). Cette catégorie comprend le bouleau et le stock.
Vous trouverez ci-dessous un tableau de densité pour différentes espèces d'arbres.
| Nom de race | Densité rocheuse, kg/m3 |
| Acacia | 830 |
| Bouleau | 540-700 |
| Bouleau de Carélie | 640-800 |
| Hêtre | 650-700 |
| Cerise | 490-670 |
| Orme | 670-710 |
| Poire | 690-800 |
| Chêne | 600-930 |
| épicéa | 400-500 |
| Saule | 460 |
| Cèdre | 580-770 |
| Érable européen | 530-650 |
| Érable canadien | 530-720 |
| érable champêtre | 670 |
| Mélèze | 950-1020 |
| Aulne | 380-640 |
| Noyer | 500-650 |
| Aspen | 360-560 |
| Sapin | 350-450 |
| Rowan | 700-810 |
| Lilas | 800 |
| Prune | 800 |
| Pin | 400-500 |
| Peuplier | 400-500 |
| Thuya | 340-390 |
| Cerisier des oiseaux | 580-740 |
| Cerise | 630 |
| Pommier | 690-720 |
Les espèces de conifères ont la densité la plus faible, tandis que les espèces à feuilles caduques ont la densité la plus élevée.
Stabilité
La résistance calculée du bois inclut une chose telle que la stabilité àexposition à l'humidité. Le degré est mesuré sur une échelle de cinq points lorsque l'humidité de l'air change:
- Instabilité. Une déformation importante apparaît même avec un léger changement d'humidité.
- Stabilité moyenne. Un degré notable de déformation apparaît avec un léger changement d'humidité.
- Stabilité relative. Un léger degré de déformation apparaît avec un léger changement d'humidité.
- Stabilité. Aucune déformation visible avec un léger changement d'humidité.
- Stabilité absolue. Il n'y a absolument aucune déformation même avec un grand changement d'humidité.
Vous trouverez ci-dessous un tableau de stabilité des essences de bois courantes.
| Nom de race | Degré de stabilité |
| Acacia | 2 |
| Bouleau | 3 |
| Bouleau de Carélie | 3 |
| Hêtre | 1 |
| Cerise | 4 |
| Orme | 2 |
| Poire | 2 |
| Chêne | 4 |
| épicéa | 2 |
| Cèdre | 4 |
| Érable européen | 2 |
| Érable canadien | 2 |
| Érable champêtre | 1 |
| Mélèze | 2-3 |
| Aulne | 1 |
| Noyer américain | 4 |
| Noix du Brésil | 2 |
| Noyer | 4 |
| Noyer européen | 4 |
| Noyer espagnol | 3 |
| Aspen | 1 |
| Sapin | 2 |
| Peuplier | 1 |
| Cerisier des oiseaux | 1 |
| Cerise | 2 |
| Pommier | 2 |
Les chiffres sont calculés pour du bois avec une teneur en humidité de 12 %.
Caractéristiques mécaniques
La qualité du bois est déterminée par les indicateurs suivants:
- Résistance à l'usure - la capacité du bois à résister à l'usure lors du frottement. Avec une augmentation de la dureté du matériau, son usure diminue avec une répartition inégale sur la surface de l'échantillon. La teneur en humidité du bois affecte également la résistance à l'usure. Plus elle est basse, plus la résistance est élevée.
- Déformabilité - la capacité de restaurer la forme après la disparition des forces agissantes. Lorsque le bois est compressé,déformation de la pièce, qui disparaît avec la charge. Le principal indicateur de déformabilité est l'élasticité, qui augmente avec la teneur en humidité du bois. Avec un séchage progressif, l'élasticité est perdue, ce qui entraîne une diminution de la résistance à la déformation.
- Flexibilité - la capacité naturelle du bois à se plier sous des charges. Les espèces à feuilles caduques ont de bonnes performances, les conifères dans une moindre mesure. Ces capacités sont importantes dans la fabrication de produits pliés, qui sont d'abord humidifiés puis pliés et séchés.
- Résistance aux chocs - la capacité d'absorber la force d'impact sans ébrécher le bois. Le test est effectué à l'aide d'une bille en acier, qui est lâchée sur la pièce depuis une hauteur. Les variétés à feuilles caduques donnent de meilleurs résultats que les conifères.
Des charges constantes détériorent progressivement les propriétés du bois et entraînent une fatigue du matériau. Même l'arbre le plus durable n'est pas capable de résister aux influences extérieures.
Spécifications réglementaires
Des indicateurs de résistance normative sont nécessaires pour la fabrication de divers types de structures. Le bois est considéré comme approprié si les indicateurs ne sont pas inférieurs aux valeurs calculées. Lors des tests, seuls des échantillons standard avec une teneur en humidité ne dépassant pas 15% sont utilisés. Pour le bois avec une valeur d'humidité différente, une formule spéciale pour la résistance de conception est utilisée, puis les indicateurs sont convertis en valeurs standard.
Lors de la conception de structures en bois, il est important de connaître les valeurs de résistance réelles du matériau source. En réalité, ils sont inférieurs à ceux normatifs obtenus sur des échantillons d'essai. Donnée de référenceobtenu par chargement et déformation d'échantillons de tailles standard.
Caractéristiques de conception
La résistance de conception du bois correspond aux contraintes dans différents plans d'échantillons de bois créées par certaines charges qu'un arbre peut supporter pendant un certain temps jusqu'à ce qu'il soit complètement détruit. Ces chiffres diffèrent pour l'étirement, la compression, la flexion, le cisaillement et l'écrasement.
Les chiffres réels sont obtenus en multipliant les données normatives par les coefficients des conditions de travail.
| Nom | Coefficient de résistance du bois de conception | ||
| Contrainte le long des fibres | Tension à travers les fibres | Chipping | |
| Mélèze | 1, 2 | 1, 2 | 1 |
| Cèdre de Sibérie | 0, 9 | 0, 9 | 0, 9 |
| Pin | 0, 65 | 0, 65 | 0, 65 |
| Sapin | 0, 8 | 0, 8 | 0, 8 |
| Chêne | 1, 3 | 2 | 1, 3 |
| Érable, Frêne | 1, 3 | 2 | 1, 6 |
| Acacia | 1, 5 | 2, 2 | 1, 8 |
| Hêtre, bouleau | 1, 1 | 1, 6 | 1, 3 |
| Orme | 1 | 1, 6 | 1 |
| Peuplier, aulne, tremble, tilleul | 0, 8 | 1 | 0, 8 |
Les conditions de travail sont influencées par toute une liste de facteurs. Les coefficients ci-dessus tiennent compte de ces facteurs. Toute exposition à l'humidité sur les structures entraîne une réduction des performances finales.
Conclusion
Lors de la conception de structures en bois, il est important de connaître les indicateurs calculés des matériaux utilisés dans la construction. Les nœuds individuels subiront des charges permanentes ou temporaires pouvant entraîner leur destruction complète. Les données spécifiées dans GOST et SNiP ont été obtenues en testant des échantillons standard. Cependant, les valeurs réelles seront très différentes des valeurs normatives. Par conséquent, les formules fournies par les normes sont utilisées pour les calculs.
