木材试验

木材由细长的、圆形的或长方形的管状细胞组成。这些细胞比宽 (20-40 微米) 长得多 (2-4 毫米), 而细胞的长度往往与树的长度有关。细胞壁是由纤维素 (聚合物) 组成的, 在形成细胞壁的每一层中, 聚合链在不同的方向上排列。中间壁, 其链沿着细胞的更长的维度排列, 提供了细胞的大部分强度, 而内壁和外墙的对角线链提供了稳定性。细胞壁结构为半晶态, 晶体结构为30-60 微米长度, 其次为短无定形剖面。链和细胞被称为木质素的物质捆绑在一起。每个细胞都相对较弱, 但木质素所提供的许多细胞的捆绑效应, 结果在一个非常强大和有用的建筑材料。一个很好的类比是, 一个单一的饮水秸秆与许多秸秆粘合或捆绑在一起的阻力。

木材是一种生物材料的纯粹事实, 使它很容易受到环境的侵蚀和害虫的攻击, 如果它暴露在元素。因此, 今天使用的许多木材都是用化学物质预处理的, 以保护它免受环境和昆虫的侵袭。木材是一种生物材料, 也意味着木材之间的工程性质有很大的变化, 即使在同一树种中也是如此。大量的不完美将不可避免地存在, 使木材成为不均匀的材料。这些缺陷是结的结果, 其中分支或肢体的一部分已被纳入到树的主体。因此, 在木材设计中采用了较大的安全因素, 或设计强度与实际极限强度的比值。木材安全因素的典型值为2.5 的成员在弯曲, 并校准设计代码, 使99% 的成员将至少有1.25 因素的安全。

木材的细胞组成使它成为正交异性材料。因此, 如果材料加载平行或垂直于单元格的长边, 则属性将有所不同。这一性质意味着通常的弹性理论不能直接使用, 因为材料不是各向同性 (所有三方向相同的性质), 但正交异性 (不同的性质在两个方向: 纵向和横向的更长的细胞方向)。细胞的组成也意味着木材的含水量是决定其强度的关键参数。这两种因素都过于复杂, 不能用于日常设计, 因此结构用木材的设计是基于线性理论和由以下方法确定的允许应力:

1. 对各种商业物种的大量终极 clearwood (或无缺陷) 强度值进行了统计分析。标称应力是基于95% 的值是更大的, 5% 是低于名义极限强度。
2. 由于这一因素极大地影响了木材的大多数工程性质, 因此对这些数值进行了修正, 以说明水分含量。木材中的水分主要由细胞腔内的游离水和细胞壁内的水所束缚。当木材干燥时, 很容易去除游离的水, 但很难去除束缚水。水从细胞壁上开始被移除的水分含量称为纤维饱和点 (FSP)。一般来说, 水分的减少会增加强度, 特别是当水平降到 FSP 以下时。木材在其绿色条件 (或新鲜切割) 将有一个大的水分含量 (100% 以上的物种, 如轻木), 并不会开始获得显著的强度, 直到其含水量下降到 FSP 以下, 从22% 到30% 的大多数物种。木材的含水量在19% 以上时, 被认为已浮出绿色 (或在潮湿条件下切割), 如果低于该极限, 则表面干燥。风干木材的含水率约为 12%-15%, 而窑干木材则低于10%。木材是只有窑干燥, 如果需要特殊的应用, 如家具;为多数共同的结构应用风干是充足的。
3. 强度比是下一个用来调整 clearwood 值, 以解释在给定的应力等级允许的 strengthreducing 缺陷。应力等级是工程木材质量的量度, 通常是根据快速目视检查或生产线上的弯曲试验来分配的。在后一种情况下, 刚度与弹性弹性模量成正比, 然后与强度相关。大多数木材通常给出的特性是允许的弯曲应力 (f_b)、水平剪切 (f_v)、与晶粒平行的压缩(f)、垂直于晶粒的压缩 (f_c) 和弹性弹性模量 (E)。除了某种木材的基本定向特性外, 还应该明显的是, 并非所有的树林在负载下都有相同的表现方式。较软的树林, 如云杉, 松树, 或杉木, 是相对低廉的, 因此主要用于结构目的, 在轻型框架结构。更坚硬的树林, 如橡木或山核桃, 具有不同的生长速率和花纹, 使森林更难补充, 同时也给它们的某些建筑应用提供了优越的特性。

重要的是要注意的是, 大体积变化与减少水分含量。干燥造成的收缩也不均匀。例如, 对于道格拉斯冷杉, 径向收缩率为 4.8%, 切向收缩率为 7.6%, 体积收缩率为12.4%。木材是一种高分子材料, 它也容易蠕变, 或在恒定荷载作用下的连续粘性样变形。因此, 如果装载时间短, 木材通常能支持更高的应力。负载持续时间因子用于解释此行为。如果加载工期短, 如地震荷载和大风浪的10分钟或更少, 设计值可以乘以 1.6, 因为负载持续时间足够短, 不能发生明显的蠕变。

其他常用的校正因子为尺寸因子、重复构件因子和形式因子。大小因素说明了大多数木材数据是由浅波束测试生成的, 不到 12. 在深度上, 众所周知, 平均强度随着成员数量的增加而减小, 因为存在缺陷 (所谓的大小等等)。重复的因素是用来解释的事实, 木材成员往往是相互接近, 并被捆绑在一起的地板隔膜和收藏家, 所以个别成员的弱点或失败不会导致不成比例崩溃 (即, 失败将被本地化)。最后, 成员的纵横比 (深度/厚度) 也会影响测试结果。所有这些矫正因素基本上都是经验性的, 但根据实验室测试结果和现场表现经验的统计数据是合理的。

木材的正交各向异性性能可以通过创建层合板来改善, 如胶合板, 在垂直方向上排列有纤维的图层产生各向同性材料。同样地, 在同一方向上和粘在压力下的薄条纤维制成的构件, 或胶合层压 (胶合层), 从分布缺陷中获得强度。

在表1中总结了压缩、拉伸和弯曲试验结果。如所有结果一致显示, 橡木是最强的木头, 其次是云杉和南松树。

表 1: 木材测试摘要

表 2: 规范化数据

表2显示了与表1相同的数据, 但对橡木材料的强度进行了规范化。对于两个最重要的性质, 弯曲强度和压缩平行的谷物, 云杉似乎大约约87% 和南部松树约 78%, 像橡树一样强。鉴于伍兹之间的价格差别很大, 看来南松树是最便宜的, 是一个非常有效的选择。

木材是一种可持续的天然材料, 具有正交各向异性的特性。在其他实验室, 材料, 如金属, 聚合物和混凝土已被测试的紧张或压缩的假设, 材料的行为各向同性, 意味着它的阻力, 对特定的负载是相同的, 无论方向材料。例如, 钢在微观尺度上有无数的随机定向晶粒, 在宏观尺度上赋予它均匀和各向同性的性质。然而, 木头, 以它容易地可辨认的五谷方向, 不行动各向同性。因此, 设计者必须仔细考虑对木材构件或结构的预期载荷, 以确保材料的最大有效性。另外, 由于它的自然起源, 木材有机械性质, 与树木的个别树种, 水分含量, 和试样的大小。

直到最近, 木结构被限制在公寓或小型办公楼中的三或四层楼。 交叉层状木材的发展, 木面板组成的层, 以直角为中心, 然后胶合, 导致了结构系统的发展, 能够达到8或更多的故事。按照20层楼的顺序, 高得多的建筑仍在发展之中。