Structura lemnului

STRUCTURA LEMNULUI

Lemnul este un material complex.

Lemnul este produsul arborilor, ale caror organe lemnoase (tulpina, radacinile etc.) sunt in mod normal de forma aproximativ circulara in sectiune transversala, avind un centru fiziologic numit maduva sau inima.

Dupa esenta, arborii al caror lemn este folosit in constructii se pot grupa in:

foioase si rasinoase.

Din punct de vedere chimic, lemnul este alcatuit din substante organice (50% carbon, 44% oxigen si 6% hidrogen) si din aceasta cauza este combustibil si poate fi atacat si distrus de microorganisme si insecte, daca nu se iau masurile de protectie necesare.

Din punct de vedere structural, lemnul este un material fibros, directia principala a fibrelor fiind paralela cu axul trunchiului, din care cauza proprietatile mecanice ale lemnului variaza in functie de unghiul facut de directia solicitarii cu directia fibrelor, astfel ca, din acest punct vedere, lemnul este un material anizotrop.

Clasificarea elementelor si a constructiilor din lemn

1. Din punctul de vedere al raportului dimensiunilor geometrice elementele de constructie din lemn se clasifica in:

elemente lineare (bare), la care lungimea elementului sensibil mai mare decat dimensiunile sectiunii transversale (grinzi simple sau compuse, stalpi);

structuri plane, la care una dintre dimensiunile elementului este sensibil mai mica decat celelalte doua si care pot prelua forte in planul acestora (grinzi cu zabrele, arce, cadre etc); pentru asigurarea stabilitatii in plan transversal pe planul elementului se iau masuri suplimentare de rigidizare: contravantuiri;

structuri spatiale, dezvoltate tridimensional, care preiau solicitari pe trei directii.

2. Constructiile si elementele de constructie din lemn se clasifica, in functie de durata de exploatare in:

definitive si provizorii.

In categoria elementelor si constructiilor provizorii se includ: elementele din lemn pentru cofraje, esafodaje si sustineri precum si constructiile demontabile si remontabile cu durata de exploatare pe un amplasament sub doi ani.

3. Din punctul de vedere al conditiilor in care se exploateaza elementele de constructie din lemn, se definesc urmatoarele clase de exploatare:

clasa 1 de exploatare, caracterizata prin umiditatea continuta de materialul lemnos corespunzatoare unei temperaturi θ = 20 ± 2°C si a unei umiditati relative a aerului φi ≤ 65%;

clasa 2 de exploatare, caracterizata prin umiditatea continuta de materialul lemnos corespunzatoare unei temperaturi θ = 20 ± 2°C si a unei umiditati relative a aerului 65% ≤ φi ≤ 80%;

clasa 3 de exploatare, caracterizata prin umiditatea continuta de materialul lemnos superioara celei de la clasa 2 de exploatare.

4. Dupa destinatie:

Constructii civile, industriale si agricole, cuprinzind cladiri, hale, ateliere etc.

Poduri si podete de sosea, de cale ferata, de serviciu, pasarele etc.

Constructii hidrotehnice, cuprinzind baraje, deversoare etc.

Constructii speciale, cuprinzind silozuri, buncare, turnuri de racire, turle de foraj, stilpi si piloni pentru linii electrice si de telecomunicatii etc.

Avantajele constructiilor de lemn

1. Rezistenta relativa mare, intelegind prin aceasta raportul dintre rezistenta admisibila sau de calcul si densitatea materialului. Daca se compara densitatea lemnului cu densitatea celorlalte materiale principale de constructie (otelul, betonul armat si zidaria de caramida), se constata ca lemnul este de 3,5 . 15 ori mai usor. Indicii comparativi pentru principalele materiale de constructii sint prezentati in tabelul 1.1. Din datele prezentate de tabelul 1.1 rezulta ca numai lemnul si otelul se comporta la fel de bine la intindere si la compresiune, avind aproximativ aceleasi rezistente relative, spre deosebire de betonul armat si zidaria de caramida, la care rezistentele relative la compresiune si indeosebi la intindere sint incomparabil mai mici.

2. Prelucrarea usoara, este o alta caracteristica specifica lemnului ca material de constructie. Cheltuielile necesare pentru exploatarea padurilor, cit si pentru amenajarea fabricilor de cherestea sint mult mai reduse fata de cele necesare pentru fabricarea cimentului, respectiv a otelului. De asemenea, amenajarea atelierelor pentru confectionarea constructiilor de lemn este cu mult mai simpla decit a celor pentru constructii meta- lice si beton armat. Totodata, constructiile din lemn se pot executa in orice anotimp, fara a necesita masuri speciale.
3. Asamblarea, demontarea, mutarea, refacerea si consolidarea constructiilor de lemn se poate face fie total, fie partial, cu cheltuieli minime si cu foarte multa usurinta.
4. Coeficientul de dilatare termica liniara in lungul fibrelor este foarte redus (4X10-6), de 2-3 ori mai mic decit cel al otelului si al betonului armat si ca urmare, la constructiile de lemn nu este necesar sa se prevada rosturi de dilatatie.
5. Coeficientul de conductibilitate termica al lemnului ( ) este de asemenea mult mai redus decit in cazul otelului, al betonului armat sau chiar al zidariei de caramida. Valoarea mica a coeficientului de conductibilitate termica face ca, la trecerea unui flux termic, lemnul sa opuna o rezistenta de 300-400 ori mai mare decit otelul si de 7-10 ori mai mare decit betonul obisnuit, ceea ce justifica folosirea lui ca material termoizolant.
6. Totodata, durabilitatea constructiilor de lemn poate fi considerabil imbundtatita in cazul in care este asigurat un regim optim de exploatare, iar materialul lemnos folosit este protejat impotriva putrezirii si a focului.

Dezavantajele constructiilor de lemn

1. Anizotropia si neomogenitatea structurii lemnului: spre deosebire de alte materiale de constructie, lemnul are o structure anizotropa, neomogena, din care cauza rezistentele mecanice a acestuia variaza cu unghiul pe care it formeaza directia fortei (efortului) cu directia fibrelor. Anizotropia si neomogenitatea lemnului se manifesta cu atit mai mult, cu cit dimensiunile acestuia sint mai mari.

2. Influenta negativa a umiditiltii asupra proprietatilor fizico-mecanice ale lemnului este foarte mare. Cresterea umiditatii, pina la atingerea punctului de saturatie al fibrei, determina pe linga micsorarea rezistentei mecanice la rupere si o crestere insemnatä de volum prin umflare.
3. Sortimentul limitat de material lemnos, atit in ceea ce priveste forma si dimensiunile sectiunii transversale, cit si lungimea limitata a pieselor, ingreuneaza proiectarea si executia constructiilor din lemn.

4. Tot ca dezavantaje ale materialului lemnos trebuie citate: defectele naturale (defecte de forma, de structura si crapaturile), defecte cauzate de insecte si moluste, contragerea si umflarea, putrezirea si inflamabilitatea lemnului etc.

Defectele lemnului si categorii de material lemnos pentru constructii

Principalele anomalii si defecte ale lemnului se pot clasifica in:

defecte de forma ale trunchiului;

defecte de structura a lemnului;

defecte de noduri si crapaturi;

defecte provocate de insecte;

defecte cauzate de microorganisme (ciuperci) si paraziti vegetali.

Contragerea si umflarea lemnului

Atentie!

Din cauza neuniformitatii contragerii, piesele de cherestea debitate nerational se deformeaza la uscare, lucru care poate duce la curbarea scindurilor sau aparitia crapaturilor in cherestea din cauza tensiunilor inegale care se produc.

Umflarea duce la rezultate inverse contragerii, in plus, din cauza umiditatii sporite, rezistentele lemnului se micsoreaza.

Deformatiile si crapaturile elementelor de constructie produse in urma contragerii lemnului pot duce la consecinte grave.

Putrezirea lemnului

Putrezirea lemnului este provocatà de o serie de ciuperci si insecte xylofage, ce apartin organismelor inferioare, care nu contin clorofila si in consecinta nu pot sa asimileze, astfel ca se hranesc cu formatii organice, gata preparate, fie de alte plante vii (ciupercile parazite), fie dintr-un substrat mort, care mai contine substante hranitoare (ciupercile saprofite).

Ciupercile inferioare provoaca numai defecte de culoare, fara ca sa afecteze si proprietatile mecanice ale lemnului.

Ciupercile superioare provoaca lemnului defecte mult mai importante, deoarece miceliile acestora patrund in masa lemnului si prin secretia unor substante (enzime), produc distrugerea (putrezirea) lemnului, fapt care duce si la scaderea greutatii specifice, iar odata cu aceasta si la anihilarea insusirilor mecanice.

Dintre ciupercile amintite, grupa cea mai periculoasa este aceea care provoaca putrezirea materialului lemnos din constructii, dintre care cele mai importante sint:

1. Buretele de casa (Merulius lacrymans), cea mai periculoasa ciuperca deoarece acolo unde se instaleaza produce adevarate dezastre. Locurile preferate pentru dezvoltarea acesteia sint partile ascunse ale lemnariei (dusumea oarba, grinzisoare de sustinere a dusumelei etc.).
2. Buretele alb de casa (Polyporus vaporarius) se intilneste sub dife­rite forme. In primul stadiu miceliul apare sub forma unei vate albicioase, iar dupà imbatrinire are un aspect castaniu. Atacul acesteia este asemanator buretelui de casa, cu exceptia ca pentru dezvoltare are nevoie de o mare cantitate de apa, pe care nu intotdeauna o poate avea la dispozitie.

Comportarea lemnului la foc

Sub influenta unei temperaturi mai mari de 105°C lemnul incepe sa se descompuna termic in mod progresiv, cu degajarea in acelasi timp a unor gaze inflamabile (hidrogen, metan, si etan). Se pot distinge urmatoarele puncte caracteristice:

Punctul de inflamabilitate (t=225 250°C), cind au loc scurte explozii ale gazelor de ardere formate prin descompunerea termica a lemnului.

Punctul de ardere (t=260 290°C), cind se formeaza o flacara continua.

Pericolul de aprindere a lemnului apare nu numai in cazul unui contact direct cu flacara, ci si prin autoaprindere, care se poate produce in urma unei incalziri de lunga durata a lemnului, cind temperatura gazelor degajate atinge asa numitul punct de autoaprindere (470°C).

Lemnul nu poate fi facut incombustibil, dar poate fi facut greu combustibil si neinflamabil prin: masuri constructive (in cazul constructiilor existente); masuri chimice prin impregnarea pieselor de lemn, de obicei inainte de punerea for in opera, cu diferite substante ignifuge.

Dintre masurile constructive folosite in mod curent se pot aminti: spoirea suprafetelor cu lapte de var sau cu suspensii apoase de argila; spoirea suprafetelor cu suspensii de silicat; tencuirea pe rabit cu mortar de ipisos; executarea unei zidarii de protectie din cardmida in jurul elementelor de sustinere (stilpi); placarea usilor cu tabla de otel pentru a intirzia propagarea incendiilor dintr-o incapere in alta; vopsirea superficiala cu anumite substante ignifuge, care formeaza pelicule izolatoare chiar sub actiunea flacdrii, cum sant: silicatul de sodiu (sticla solubila) si vopsele cu anumite rasini sintetice cu continut de azot legat chimic.

Masurile chimice de protectie a lemnului constau in impregnarea acestuia cu substante ignifuge, capabile sa degaje apa de cristalizare prin incalzire, acoperind astfel obiectul cu o pelicula protectoare impotriva focului sau sa se descompuna, degajind o cantitate mare de gaze necombustibile care indeparteaza oxigenul din aer de la suprafata lemnului diluand gazele de ardere degajate de masa lemnoasa.

Substantele folosite in mod frecvent pentru ignifugarea lemnului se pot grupa astfel:

sarurile de amoniu (bifosfatul de amoniu, sulfatul de amoniu si clorura de amoniu);

unele saruri de sodiu si potasiu (carbonat de sodiu, bicarbonat de sodiu, carbonatul de potasiu);

alaunii (sulfatul dublu de aluminiu si potasiu, sulfatul dublu de aluminiu si amoniu);

boraxul etc.

Principii generale de alcatuire si calcul

Calculul elementelor de constructie din lemn se face pe baza principiilor generale de verificare a sigurantei constructiilor prevazute in normative, prin verificarea comportarii corespunzatoare fata de starile limita ce pot apare in diferite etape (executie, exploatare, perioade de reparatie). Verificarea se face tinand seama de cele mai defavorabile ipoteze de solicitare si de cele mai defavorabile caractestici ale materialelor, ce pot apare in conditiile considerate.

Elementele si constructiile din lemn se calculeaza in domeniul elastic de comportare al materialului.

Stari limita luate in considerare la calcul

stari limita ultime ce corespund epuizarii capacitatii de rezistenta sau unei alte pierderi ireversibile a calitatilor necesare exploatarii constructiilor; principalele fenomene ce pot sa conduca la aparitia acestora sunt:

­ ruperi de diferite naturi;

­ pierderea stabilitatii formei sau a pozitiei;

­ stari care implica iesirea din lucru a constructiei datorita unor deformatii remanente excesive.

stari limita ale exploatarii normale ce corespund intreruperii capacitatii de asigurare a unei exploatari normale a elementelor de constructie; principalele fenomene ce pot sa conduca la aparitia acestei categorii de stari limita sunt deplasarile statice sau dinamice excesive.

Observatie: in afara verificarilor mentionate, prin proiectare sa se asigure durabilitatea constructiei din lemn la biodegradare printr­o alcatuire corespunzatoare si masuri de prezervare.

Determinarea solicitarilor

La determinarea solicitarilor pentru verificarea la diferite stari limita se va lua in considerare modul real de lucru al elementelor sau al structurii in ansamblu la starea limita considerata tinand cont si de caracterul constructiei (definitiva sau provizorie).

Calculul solicitarilor se face cu luarea in considerare a incarcarilor conform prevederilor din normative, valorile normate si de calcul fiind stabilite conform standardelor pentru diferite categorii de incarcari.

La elementele de importanta secundara, pentru verificarile la starile limita ale exploatarii normale se permite sa se utilizeze metode de calcul simplificate, sau sa se verifice numai satisfacerea unor conditii constructive corespunzatoare, daca aceste prevederi nu conduc la rezolvari neacoperitoare prin calcul sau la un consum sporit de material

Actiuni

Valorile incarcarilor normate si ale coeficientilor linii de siguranta aplicati incarcarilor se stabilesc pe baza standardelor de actiuni in vigoare.

Efectul variatiilor de temperatura climatica nu se ia in considerare la calculul constructiilor din lemn. Dilatarea lemnului in lungul fibrelor la variatii de temperatura este mult mai redusa decat la celelalte materiale de constructii. Coeficientul de dilatare termica a lemnului in lungul fibrelor este de 36 milionimi din lungime pentru fiecare grad de crestere a temperaturii, iar normal pe fibre este de aproximativ 10 ori mai mare. Valoarea redusa a dilatiei dimensionale a lemnului in lungul fibrelor la variatii de temperatura elimina necesitatea prevederii de rosturi de dilatatie.

In cazul unor utilaje si instalatii care nu se incadreaza in standardele de actiuni, precum si la calculul elementelor de constructie din lemn utilizate pentru cofraje sprijiniri si esafodaje, valorile normate ale incarcarilor, ale coeficientilor partiali de siguranta aplicati incarcarilor si ale coeficientilor dinamici se determina de catre proiectant pe baza datelor din proiectul tehnologic, sau a celor prevazute in instructiunile tehnice speciale.

Gruparile de incarcari pentru diferitele stari limita ultime si pentru stari limita ale exploatarii normale se stabilesc conform normelor.

Specii de lemn utilizate si domenii de folosinta

1. Lemn de rasinoase

bradul, care se incadreaza la categoria lemnului usor si moale, cu contrageri mici si rezistente mecanice medii; prelucrarile mecanice se fac fara dificultati, dar relativ mai greu decat la molid din cauza smulgerilor de fibre;

laricele, caracterizat ca un lemn potrivit de greu, moale, cu rezistente mecanice foarte mari pentru specia de rasinoase;

molidul, caracterizat ca un lemn usor si moale, cu contragere totala mica si rezistente mecanice medii; prelucrarea mecanica a lemnului de molid se realizeaza fara dificultati;

pinul, care se incadreaza in categoria lemnului greu si moale, cu rezistente bune la solicitari mecanice.

2. Lemn de foioase

carpenul, care se incadreaza in categoria lemnului greu si tare, cu contrageri mari si rezistente mecanice medii, superioare fagului;

fagul, lemn greu si tare, cu contrageri mari si proprietati mecanice medii; prezinta dificultati la uscare, avand tendinta de a crapa si a se deforma;

frasinul, care se incadreaza in categoria lemnului greu si tare, cu contrageri si rezistente mecanice la nivel mediu pentru specia de foioase;

mesteacanul, lemn relativ greu si tare, cu contractii mari;

paltinul de camp sau de munte, lemn relativ greu si tare, cu rezistente incadrate in categoria medie;

plopul, lemn usor si moale, cu contrageri reduse si rezistente mecanice reduse;

salcamul de plantatie, care este un lemn greu si tare, cu contrageri si rezistente mecanice reduse;

cerul, lemn greu si potrivit de tare cu contrageri mari si rezistente mari;

gorunul, lemn greu si tare, cu contrageri mari si rezistente mecanice mari;

stejarul, atestat ca un lemn greu si tare, cu contrageri si rezistente mecanice mari.

Materialul lemnos pe sortimente

1. Lemn brut (rotund) care provine din orice parte a arborelui si care in afara de operatiile de recoltare nu a suferit nici o alta prelucrare.
2. Lemnul ecarisat si semiecarisat care se obtine in urma debitarii lemnului brut sub forma de:

­ scanduri avind grosimi de maxim 40 mm si latimi mai mari decit dublul grosimii, insa cel putin de 8 cm.

- dulapi avind grosimi mai mari de 40 mm, insa cel mult 100 mm si latimi mai mari decit dublul grosimii, insa cel putin de 10 cm.

­ sipci avind grosimi de maxim 40 mm si latimi de cel mult 6 cm.

- rigle avind grosimi de peste 40 mm si sub 100 mm si latimi cel mult dublul grosimii.

­ grinzi avind grosimea de minimum 100 mm si latimi egale sau mai mari decit grosimea; ele pot fi cu doua, cu trei sau cu patru fete plane si grinzi cu tesituri (cioplitura);

­ margini, laturoaie, restrole.

Rezistentele caracteristice specificate in tabelul 2.3. sunt date pentru umiditatea de echilibru a lemnului de 12 % si pentru durata de actiune a incarcarilor de cel mult 3 minute.

Lemnul ce se inscrie in clasa III de calitate nu va fi folosit la realizarea elementelor structurale.

Pentru lemnul rotund, rezistentele caracteristice specificate in tabelul 2.3. se vor majora cu 15 %, indiferent de specie.

Rezistentele de calcul ale lemnului masiv

Rezistentele de calcul, Ri, ale diferitelor specii de material lemnos, la diverse solicitari, in functie de conditiile de exploatare ale elementelor de constructie care se proiecteaza, se stabilesc cu relatia:

in care:

m_ui sunt coeficienti ai conditiilor de lucru care introduc in calcul umiditatea de echilibru a materialului lemnos, definiti pe baza conditiilor de microclimat in care sunt exploatate elementele de constructie care se proiecteaza si a caror valori sunt date in tabelul 2.5.;

m_di sunt coeficienti ai conditiilor de lucru, stabiliti in fum si de durata de actiune a incarcarilor, cu valorile specifice din tabelul 2.6.;

R_i sunt rezistentele caracteristice ale diferitelor specii de lemn la diverse solicitari, specificate in tabelul 2.3.:

_i sunt coeficienti partiali de siguranta, definiti in functie de tipul solicitarilor in tabelul 2.7.