Vlastnosti ohýbacího dřeva
Podívejte se na základní vlastnosti ohýbacáho dřeva. Jaký máte názor na tento proces výroby dřevěných konstrukcí?
Akustické vlastnosti dřeva
Dřevo je materiálem s velmi dobrými akustickými vlastnostmi, které ho předurčují k výrobě hudebních nástrojů a ke zlepšení akustických vlastností společenských místností, kin, divadel a koncertních síní. Akustické vlastnosti jsou vyjadřovány schopností materiálu utlumit, vést nebo zesílit zvuk.
Zvukem se nazývá mechanické vlnění prostředí, které vnímáme sluchovým orgánem jako zvukový vjem. Jeho vnější příčinou je uspořádaný kmitavý pohyb molekul hmotného prostředí přenášený působením sil, kterými molekuly na sebe vzájemně působí. Zvuk se proto šíří jen v hmotném prostředí. Subjektivně se dají zachytit zvukové vlny s frekvencí 16–20 000 Hz. Zvuk, jako mechanické vlnění, může být charakterizován vlnovou délkou, amplitudou vlnění, frekvencí a rychlostí šíření zvuku.
V pružném prostředí (v pevných látkách a tekutinách) jsou částice mezi sebou vázány nebo na sebe působí při vzájemných srážkách. Tyto vazby způsobují, že kmitání částic se přenáší a dochází k šíření mechanického vlnění, které je doprovázeno vznikem elastických vln. Znalost šíření elastických vln v materiálu má značný význam jak pro hodnocení dynamické odezvy při zatěžování, tak i pro popis kmitů různých konstrukčních prvků. Na rozdíl od řady technických materiálů (zejména kovů) je studium šíření vln ve dřevě výrazně složitější, protože dřevo vykazuje anizotropní vlastnosti, související s chemickým složením a anatomickou stavbou.
Rychlost šíření zvuku ve dřevě ve směru vláken je podobná jako u kovů (železo 5000 m/s, měď 3600 m/s), ale napříč vláken je průměrně 3x menší. Rychlost šíření zvuku ve dřevě je tím větší, čím je větší modul pružnosti a menší hustota dřeva. Rychlost šíření zvuku ve dřevě je tedy závislá na druhu dřeva. Rezonanční vlastnosti jsou odvozené vlastnosti dřeva, založené na rezonančních frekvencích a uplatňují se při charakteristice visko-elastických vlastností dřeva.
Mechanické vlastnosti dřeva
Mechanické vlastnosti dřeva můžeme obecně shrnout jako schopnost dřeva odolávat účinkům vnějších sil. Mechanické vlastnosti dřeva lze rozdělit do tří skupin a to na základní, odvozené a technologické. Mezi základní lze zařadit pružnost, pevnost, plastičnost a houževnatost dřeva. Mezi odvozené vlastnosti řadíme tvrdost, odolnost proti tečení, odolnost proti trvalému zatížení a odolnost proti únavovému lomu.
Mechanické namáhání
Děj, při kterém dochází k interakci mezi působícími silami a dřevem. Výsledkem jsou dočasné nebo trvalé změny tvaru tělesa, jejichž měřítkem je velikost poměrné deformace. Významná je interakce mezi vlhkostním a mechanickým namáháním v závislosti na čase, která významně ovlivňuje neformovatelnost dřeva při různých druzích namáhání. Při mechanickém namáhání dřevo reaguje na základě vazeb mezi chemickými složkami dřeva, anatomické stavby a také geometrie tělesa. Odezvou dřeva na mechanické namáhání je napětí.
Napětí
Napětí je definováno jako velikost vnitřní síly, která je vztažná na jednotku plochy tělesa, jestliže síly působí kolmo na průřezovou plochu tělesa, jedná se o normálové napětí (napětí v tlaku a tahu). Působí-li síly v rovině průřezu, vzniká tangenciální napětí (napětí ve smyku). Kombinace normálového a tangenciálního napětí je ohyb.
Deformace
Deformací tělesa rozumíme změnu tvarů a rozměrů dřeva, vyvolanou působením mechanických sil. Deformace je spojena s posunutím bodů v tělese. Podle odezvy na vyvolané napětí se deformace dělí na:
- Deformace pružné, které jsou vratnou změnou rozměrů a tvarů dřeva a odezní okamžitě po ukončení působení vnějších sil.
- Deformace pružné v čase, kdy vznik této deformace a návrat do původního stavu, po odeznění vnějších sil, je provázen časovou prodlevou.
- Deformace plastické, což je trvalá a nevratná změna rozměrů a tvarů dřeva, kdy po odstranění působení vnějších mechanických sil dostává těleso nový tvar a rozměry.
Modul pružnosti
Moduly pružnosti se určují většinou experimentálně, jelikož pro většinu materiálů dosud neexistují jejich teoretické rovnice. Obvykle jsou tyto moduly zjišťovány na zkušebních strojích, kde je současně měřena deformace a působící silové zatížení. Průměrná hodnota modulu pružnosti pro dřevo v tahu a tlaku ve směru vláken pro domácí dřeviny se udává v rozpětí 10 000–15 000 MPa při průměrné absolutní vlhkosti 12%. Napříč vláken je tato hodnota až 25x menší.
Zde je znázorněn diagram pro dřevo při zkoušce na tlak podél vláken. Diagram můžeme rozdělit na dvě oblasti. První je lineární část po mez úměrnosti, tou druhou je pak nelineární část ležící nad touto mezí úměrnosti až po mez pevnosti. Pokud tedy začneme zatěžovat tělísko určitou silou, vyvoláme v něm napětí, se kterým bude lineárně narůstat deformace a to až do meze úměrnosti, kterou tato oblast končí.
Mez úměrnosti je takové napětí, kdy v tělese vznikají pouze deformace pružné, případně pružné v čase. Po ukončení silového působení tyto deformace zcela zanikají a těleso se vrací do původního stavu. Mez úměrnosti je tedy v pracovním diagramu právě to místo, kde přímka grafu přechází v oblast křivky. Tvar křivky přitom vypovídá o růstu napětí nad mezí úměrnosti. Za touto pomyslnou hranicí se dostáváme do oblasti plastické deformace, kdy po ukončení působení vnější síly tyto deformace nezanikají a mají trvalý charakter. V průběhu grafu nadále dochází k růstu křivky (napětí) a limitním bodem se stává jeho maximum, které je označováno jako mez pevnosti. V tomto bodě dojde k porušení struktury dřeva - zlom. Je to tedy nejvyšší hodnota napětí, kterému je dřevo schopno odolat bez porušení celistvosti tělesa.
Ohýbání
Cílem ohýbání je dát původně rovnému materiálu požadovaný tvar – zakřivení s jedním nebo více poloměry křivosti. V zásadě jsou známy 2 základní principy ohýbání dřeva:
Ohýbání s volným uložením materiálu se realizuje v lisech a je založený na působení sil na ohýbaný materiál přes příslušně tvarovanou tvárnici – matrici a patrici.
Ohýbání s pásnicí je známý princip, objevený M. Thonetem, který jejím použitím řeší problém malé roztažnosti. Pásnice s upevněnými čelními zarážkami omezuje roztažnost dřeva, takže po dobu ohýbání dochází ve větší části, případně v celém průřezu ke stlačení dřeva.
Při ohýbání jakéhokoliv materiálu je tento namáhaný na venkovní (konvexní) straně na tah a na vnitřní (konkávní) na tlak. Mezi těmito zónami se nachází plocha, ve které přechází tahové napětí v tlakové, přičemž se zde nejvíce projevují smyková napětí, která mají maximální hodnotu v koncových částích ohýbaného materiálu. Osu, která dělí oblast tahu a tlaku nazýváme neutrální osou. Pokud má materiál v oblasti pružného namáhání stejný modul pružnosti v tahu a tlaku, je neutrální plocha totožná s geometrickou středovou plochou. V opačném případě se přesouvá k tužší straně s větším modulem pružnosti, což se hlavně projevuje při ohýbání plastifikovaného dřeva.
V důsledku tahových a tlakových napětí dochází na vnější straně k prodloužení, na vnitřní straně ke stlačení. Velikost těchto změn určuje obývatelnost dřeva. Při použití pásnice dochází k posunu neutrální osy směrem k vnější straně ohybu vzhledem k rozdílným modulům pružnosti dřeva a oceli. Standardní oceli mají asi 20ti násobný modul pružnosti dřeva.
Ohýbatelnost
Ohýbatelnost je technologická vlastnost dřeva, vyjadřující jeho schopnost ohýbání. Vyjadřujeme ji minimálním poloměrem ohybu, při kterém nedojde k porušení materiálu. Měřítkem je koeficient ohýbatelnosti k daný poměrem tloušťky h ohýbaného materiálu ku minimálnímu poloměru ohybu r . Pro většinu dřevin platí limit daný poměrem h : r = 1 : 35 (až 1 : 45)
Kritickým místem při ohýbání dřeva je tahová zóna. Maximální deformace dřeva při zatížení tahem je v nativním (normálním) stavu 0,75–1%. Hydrotermickou úpravou se zvýší na 1,5–2%. Naproti tomu stlačitelnost dřeva je vyšší a za optimálních vlhkostních a teplotních podmínek dosahuje až 30%.
Způsob jak zvýšit koeficient ohýbatelnosti, hodnotu tažnosti a stlačitelnosti dřeva je právě plastifikace.
Plasticita
Plasticita je schopnost dřeva změnit v tuhém stavu trvale svůj tvar, na základě působení vnějších sil, přičemž nedojde k porušení , neboli před porušením se plasticky deformovat.
Plastifikace
Plasticitu dřeva je možné zvýšit jeho úpravou – plastifikací. Plastifikací se nemění jen plasticita dřeva, ale i jiné fyzikálně mechanické vlastnosti dřeva. Snižují se pevnostní vlastnosti, mění se pružnost dřeva a za určitých podmínek i barva. Je to složitý fyzikálně-chemický proces. Probíhá změna hlavních složek lignino-celulosové matrice. To má za následek již zmíněné snížení pevnostních složek, avšak při zachování celistvosti dřeva. Hlavním cílem plastifikace je dočasná změna mechanických a fyzikálních vlastností dřeva, při kterých se dosáhne optimálních podmínek pro jeho tvarování. Žádoucí je co nejvyšší stupeň plasticity při co možná nejnižší degradaci složek lignino-celulosové matrice.
Stupeň plastifikace závisí od stupně „změkčení“ střední lamely, jejíž hlavní složkou je lignin. Právě rozvolnění střední lamely napomůže k posunu jinak na sebe fixovaných fibrilárních struktur. Vzrůst plasticity lignino-sacharidické matrice dřeva, neboli změkčení střední lamely je vlastně důsledek aktivace ligninu, tj. rozštěpení lignino-sacharidické vazby. Plastické vlastnosti dřeva jsou určené především vlastnostmi ligninu. Lignin přechází při teplotách kolem 70 °C do koloidního stavu, kdy po ochlazení dřeva dojde k jeho návratu do stavu tuhého. Hemicelulosy přispívají v menší míře a celulosa ovlivňuje termoplastické vlastnosti dřeva až při teplotě nad 230 °C.
Dřevo lze plastifikovat zvýšením teploty, nebo působením chemických prostředků, přičemž na účinnost plastifikace má výrazný vliv jeho vlhkost.
V současné době známe tři metody plastifikace:
- chemické
- hydrotermické
- elektromagnetické
Z ekonomických a taky ekologických důvodů mají chemické metody plastifikace v uplatnění určitá omezení. Pozornost je spíše věnována metodám druhé a třetí skupiny. Základním kritériem pro posouzení každé plastifikační metody je její účinnost. Respektive velikost celkových deformací, které jsou součtem pružných a plastických deformací.
Komprimace dřeva
Tato metoda modifikace dřeva, vyvinutá již před více jak 40 roky, je specifickým druhem zpracování dřeva, vzniklým kombinací hydrotermické a mechanické úpravy dřeva.
Komprimace je založená na úpravě dřeva mechanickým způsobem (jeho stlačením), po předcházející hydrotermické úpravě (plastifikací).
Vzhledem k tomu, že dřevo má malou pevnost v tahu a ta je při ohýbání příčinou jeho porušení na vnější straně, účelem komprimace je její zvýšení a to stlačením dřeva v podélném směru před ohýbáním. Pevnost v tahu je tedy zvýšena posunem fibrilárních struktur uvnitř dřeva.