الخواص الميكانيكيه للاخشاب

الخواص الميكـانيكية للأخشـاب

2-1 مقدمــــة:

يستخدم الإنسان منذ القدم وحتي الآن مواد مختلفة للبناء وتعرف هذه المواد علي إنها مواد البناء الهندسية ومنها مواد معدنية ومواد غير معدنية.

 وتظل تلك المواد مرغوبة لدي الإنسان مادامت:

1-     تفي بالغرض المستخدمة من أجله

2-     لم تظهر مواد أخري منافسة تظهر كفاءة افضل منها

3-     منخفضة التكاليف

4-     تُوفر عنصر الأمان في الإستخدام.

وتعتبر الأخشاب من أهم المواد الهندسية الغير معدنية التي إستخدمها الإنسان الأول والتي مازالت تنافس وتتفوق علي غيرها من المواد الأخري مثل الحديد والألومنيوم والبلاستيك وذلك لما للأخشاب من خواص تجعلها تتفوق علي تلك المواد.

وعادة ما تُدرس المادة وتتحدد مدي صلاحيتها للإستخدامات المختلفة من خلال خواصها المختلفة والتي منها خواص طبيعية (مثل: المحتوي الرطوبي، الإنكماش والإنتفاخ)، الخواص الحرارية (مثل: التمدد الحراري، معامل التوصيل الحراري)، الخواص الصوتية، الخواص الكهربية والخواص الميكانيكية ومن ذلك نجد ان:

 

ومن ذلك نري ان الخواص الميكانيكية هي احدي خواص المادة والتي تحدد بدرجة كبيرة التطبيقات الصحيحة المختلفة لها ومدي صلاحيتها للإستخدام في الأغراض الإنشائية.

2-2 تعريف الخواص الميكانيكية للأخشاب:

هي تلك الخواص التي تشير إلي سلوك المادة الخشبية تجاه المؤثرات الخارجية (القوي والأحمال) والتي تؤدي إلي إحداث تغيرات في الشكل أو الأبعاد أو أي صورة أخري من صور التشوه.

2-3 أنواع القوي أو الجهود التي تتعرض لها الأخشاب أثناء الإستعمال:

هناك العديد من الأقسام المختلفة للأحمال أو القوي أو الجهود المؤثرة علي الأخشاب أثناء الإستعمال نذكر منها ما يلي:

2-3-1 علي أساس المنشأ:

أ‌-       قوي أو جهود داخلية: مثل جهود النمو وجهود التجفيف.

ب‌-  قوي أو جهود خارجية: جهود الشد والضغط والانحناء والقص. 

2-3-2 علي أساس سرعة التطبيق (تأثير الوقت):

                    أ- قوي أو جهود إستاتيكية.

                    ب- قوي أو جهود ديناميكية أو صدم.

                    ج- قوي أو جهود متكررة.      

د- قوي أو أحمال ميتة.

2-3-3 علي أساس التوزيع:

حمل

أ- قوي او جهود مركزة: ومنها أحمال أو جهود مركزة في نقطة أو في نقطتين كما في شكل رقم 1 التالي:

 

كمرة خشبية

ركيزة

              حمل مركز في نقطة                                                  حمل مركز في نقطتين

شكل 1: الحمل المركزي في نقطة أو نقطتين

ب- قوي او جهود موزعة: وهي موزعة بانتظام (متساوية) أو غير منتظمة (غيرمتساوية) كما في شكل رقم 2 التالي:.

 حمل موزع متساوي أو منتظم                           حمل موزع غير متساوي أو غير منتظم

شكل 2: نوعي الحمل الموزع التي تتعرض لها الأخشاب أثناء الاستعمال

2-3-4 علي أساس النوع (شكل رقم 3):

                    أ- قوي أو جهود شد.

                   ب- قوي أو جهود ضغط.

                    ج- قوي أو جهود قص.

                   د- قوي أو جهود انحناء.

 

           ضغط                          شد                       قص                 إنحناء

شكل 3: أنواع الأحمال المعرضة لها الأخشاب تبعاً للنوع

لاحــظ أن:

·        لاحظ أن التعبير عن القوي أو الأحمال أو الجهود يشير إلي معني واحد تقريباً وهو المؤثر الخارجي.

·        تعرف جهود الشد، الضغط والقص علي إنها الجهود الأساسية أو الجهود البسيطة.

·        يعرف جهد الإنحناء علي أنه جهد مركب أو معقد.

2-4 تعريفات هامة:

قبل دراسة الخواص الميكانيكية للأخشاب لابد من التعريف ببعض المصطلحات الشائعة الإستخدام في هذا المجال ومنها:

القوة:

هي أي فعل يؤدي إلي تحريك الجسم من السكون أو تغيير شكله أو حجمه أو إتجاهه إذا كان الجسم متحركاً.

التشوه:

هو مقدار التغير في الشكل أو البُعد أو الحجم الحادث في الجسم نتيجة لتعرضها لقوي خارجية ويكون ذلك في شكل إستطالة أو نقص أو إنزلاق أو إنحناء تبعاً لنوع القوي المؤثرة.

الجُهد:

هو كثافة القوي الموزعة علي وحدة المساحة أو الحجم ويعُبر عنه بالمعادلة (الحمل/المساحة) ومن وحداته كجم/سم² أو رطل/بوصة² أو ميجابسكال.

الإنفعال:

هو وحدة التشوه أو مقدار التغير الحادث في الجسم نتيجة القوي الخارجية لكل وحدة من الأبعاد الأصلية ويعُبر عنه بالمعادلة (التغير في الأبعاد/البعد الأصلي) وعادة ليس له وحدات ولكن قد يشار إليه بوحدات مم/مم أو سم/سم.

المرونة:

وهي خاصية للمادة تعطي لها القدرة علي الرجوع إلي شكلها الأصلي بعد تشكلها نتيجة التعرض للقوي الخارجية ثم إزالة تلك القوي المؤثرة.

أي أن المادة المرنة هي المادة التي تعود إلي شكلها الأصلي بعد تشكلها وإزالة القوي المؤثرة.

اللدونة:

وهي خاصية للمادة تُعطي لها القدرة علي الاحتفاظ بشكلها بعد تشكلها نتيجة التعرض للقوي الخارجية ثم إزالة تلك القوي المؤثرة وهي بذلك عكس المرونةً تماماً.

المقاومــة:

وهي قدرة المادة علي مقاومة القوي والأحمال الخارجية المؤثرة عليها وهناك مقاومة في الشد والضغط والانحناء ويُشار إليها عادة بالقيمة القصوي.

 المتانـة:

هي خاصية للمادة تُعبرعن قدرتها علي إمتصاص الطاقة عند تحميلها حتي الكسر وتُقدر عادة بالأحمال الديناميكية أو حمل الصدم وتُمثل بالمساحة تحت منحني الحمل والتشوه أو منحني الجهد والإنفعال والمادة المتينة هي المادة التي تتشكلاً تشكلاً كبيراً عند تحميلها حتي الكسر.

الصلادة:

وهي خاصية تُعطي للمادة القدرة علي الإحتفاظ بشكل سطحها سليم متماسك تحت تأثير الأحمال الخارجية ومنها صلادة العلامة وصلادة البري وصلادة الخدش وصلادة القطع وتقدر عادة من خلال إختبار الصلادة أو إختبار جانكا والمادة الصلبة هي المادة التي تتشكل تشكلاً بسيطاً عند تحميلها حتي الكسر (أي انها مادة صعبة الثني).

الصلابة (الكزازة):

وهي خاصية تُعبر عن مدي مقاومة المادة لأي نوع من التغير في الشكل تحت تأثير القوي الخارجية.

2-5 منحني الحمل والتشوه أو منحني الجهد والإنفعال:

1- عند تعرض قطعة خشبية إلي حمل مُحدد ينتج عن ذلك تشوه تبعاً لنوع القوة المؤثرة (إستطالة في حالة الشد أو نقص في حالة الضغط أو إنحناء في حالة الإنحناء أو إنزلاق في حالة القص وهكذا).

2- يمكن رسم العلاقة بين الحمل والتشوه ويسمي منحني الحمل والتشوه (وقد يُعبر عن الحمل بدلالة الجهد ويُعبر عن التشوه بدلالة الانفعال ويسمي منحني الجهد والإنفعال).

2- هنالك علاقة بين الحمل والتشوه أو بين الجهد والإنفعال ففي المواد الشبه مرنة مثل المطاط يتناسب الجهد مع الإنفعال حتي نقطة تسمي نقطة حد المرونة أو حد التناسب وأسفل هذه النقطة فإن أي جهد تتعرض له القطعة الخشبية ينتج عنه إنفعال مُناظر ومتناسب معه ولذلك تكون تلك المرحلة في صورة خط مستقيم يسمي خط المرونة أو الخط المستقيم.

4- عند إزالة الجهد المؤثر أسفل نقطة حد التناسب يحدث إسترداد كامل وسريع للإنفعال المتكون.

5- بعد نقطة حد التناسب لايوجد تناسب بين الجهد والإنفعال حيث نجد أن أي جهد ينتج عنه إنفعال بمعدل اكبر من الجهد.

6- عند إزالة الجهد في تلك المرحلة (الممتدة من حد التناسب وحتي الحمل الأقصي) يحدث استرداد لجزء من الانفعال ويبقي جزء آخر غير مسترد ولذلك تسمي تلك المنطقة بإسم منطقة التشكل الدائم وخواص المادة في تلك المرحلة تعرف باللدونة.

7- بعد تلك المرحلة فإن أي جهد مطبق علي القطعة الخشبية ينتج عنه إنهيار أو كسر وتسمي تلك النقطة بالحمل الأقصي أو الجهد الأقصي.

8- المنحني المتحصل عليه يسمي منحني الحمل والتشوه أو منحني الجهد والإنفعال كما في الشكل رقم 4 التالي:

التشوه أو الإنفعال

شكل 4: منحني الحمل والتشوه في الأخشاب

2-6 تقديـر الخواص الميكانيكية في الأخشاب:

يمكن الحصول علي المعلومات المختلفة عن الخواص الميكانيكية للأخشاب إما من خلال إجراء الإختبارات الميكانيكية المعملية أو من خلال الإستعمال الفعلي للأخشاب تحت ظروف الإستخدامات المعتادة للأخشاب.

وللحصول علي تلك الخواص الميكانيكية للأخشاب من خلال الإختبارات المعملية فإن ذلك يتطلب تجهيز عينات بمواصفات قياسية خاصة وذلك للحصول علي قيم يمكن تعميمها بدرجة معقولة بالنسبة للأنواع الخشبية المختلفة.

من المواصفات القياسية المستخدمة لتقدير الخواص الميكانيكية للأخشاب هناك:

1-      المواصفات القياسية الامريكية وتعرف إختصاراً بالـ ASTM.

2-      المواصفات القياسية البريطانية وتعرف إختصاراً بالـ BSS.

3-      المواصفات القياسية الألمانية وتعرف إختصاراً بالـ  DIN.

4-      المواصفات القياسية الدولية وتعرف إختصاراً بالـ ISO.

5-      المواصفات القياسية المصرية وتعرف إختصاراً بالـEG : وهي منقولة عن المواصفات القياسية البريطانية.

وتتم تلك الإختبارات الميكانيكية للأخشاب معملياً عن طريق:

أ‌-       الإختبارات الميكانيكية المدمرة للأخشاب:

وتتم من خلال تجهيز عينات صغيرة خالية من العيوب وتدميرها أثناء الإختبار حتي يمكن الحصول علي الثوابت الخاصة بالخواص الميكانيكية

ب‌-   الإختبارات الميكانيكية الغير مدمرة للأخشاب:

وذلك من خلال إستخدام الكمرات الخشبية أو ألواحاً خشبية بأحجامها الإستعمالية الفعلية وقياس بعض الثوابت والتي منها يمكن تقدير مرونة الأخشاب دون كسرها أو تدميرها.

2-7 الإختبارات الميكانيكية المدمرة للأخشاب:

تتم تلك الإختبارات من خلال الخطوات التالية:

1-    إستخدام ماكينات إختبار خاصة مثل الإنسترون وأمسلر واللويد  وغيرها من الماكينات.

2-    تجهيز عينات خشبية صغيرة خالية من العيوب تبعاً للمواصفات القياسية المختلفة.

3-    يكون مقطع العينة في القطاع العرضي 2 X 2 بوصة أو سم وطولها يختلف حسب نوع الإختبار.

4-  تحميل العينة بمعدل ثابت ومحدد في المواصفات مع رسم العلاقة بين الحمل والتشوه أو بين الجهد والإنفعال حتي كسر أو إنهيار العينة حسب نوع الماكينة المستخدمة.

5-      حساب الثوابت الميكانيكية المختلفة بإستخدام المعادلات المختلفة تبعاً لنوع الإختبار.

 ويبين الشكل رقم 5 أشكال بعض عينات الاختبار وهي من اليمين إلي اليسار:

1-    إختبار الشد الموازي للألياف.

2-    إختبار الإنحناء الإستاتيكي.

3-    إختبارالصلادة العمودي علي الألياف (إختبار جانكا) ونفس العينة لإختبار الضغط العمودي علي الألياف.

4-    إختبار الإنشقاق.

5-    اختبار الضغط الموازي للألياف.

شكل 5: عينات الأختبار المستخدمة في تقدير الخواص الميكانيكية للأخشاب

وهناك اختبارات ميكانيكية اخري من الإختبارات المدمرة للأخشاب منها:

أ‌-       إختبار الشد العمودي علي الألياف.

ب‌-  إختبار القص الموازي للألياف.

ج- إختبار الصلادة الموازي للألياف.

د- إختبار الصدم.

والأشكال من رقم 6 إلي رقم 11 توضح طريقة إجراء بعض الإختبارات الميكانيكية المدمرة للأخشاب علي عينات صغيرة خالية من العيوب تبعاً للمواصفات القياسية البريطانية والمواصفات القياسية المصرية ومقطعها العرضي 2X 2 سم.

شكل 6: طريقة إجراء إختبار الإنحناء الأستاتيكي في الأخشاب

شكل 7: طريقة إجراء إختبار الصلادة أو إختبار جانكا في الأخشاب

شكل 8: طريقة إجراء إختبار الإنشقاق في الأخشاب

شكل 9: طريقة إجراء إختبار الضغط الموازي للألياف في الأخشاب

شكل 10: طريقة إجراء إختبار الضغط العمودي علي الألياف في الأخشاب

شكل 11: طريقة إجراء إختبار الشد الموازي للألياف في الأخشاب

2-8  دراسة لبعض الإختبارات الميكانيكية المدمرة للأخشاب:

2-8-1 إختبار الإنحناء الإستاتيكي في الأخشاب:

حمل مُركز

الكمرة قبل التحميل

ويتم هذا الإختبار بتعريض العينة الخشبية إلي جهد إنحناء وهو من الجهود المركبة والشكل رقم 12 يوضح كمرة خشبية معرضة لحمل موزع والعينة مرتكزة علي ركيزتين عند أطرافها:

			أقصي حمل ضغط

 

محور

الخمول

كمرة خشبية

ركيزة

الكمرة بعد التحميل

أقصي حمل شد

شكل 12: كمرة خشبية معرضة لحمل مركزي والعينة مرتكزة علي ركيزتين

ويلاحظ من هذا الشكل ما يلي:

1-    لا توجد أي جهود عند محور الخمول الذي يمر بمنتصف العينة.

2-    يوجد أقصي جهد في الشد علي السطح السفلي للعينة والذي ينتج عنه إستطالة للكمرة الخشبية.

3-    بينما يوجد أقصي جهد في الضغط علي السطح العلوي للعينة والذي ينتج عنه نقص في طول الكمرة الخشبية.

4-  تقل جهود الضغط من السطح العلوي للعينة حتي تنعدم عند محور الخمول وتقل جهود الشد من السطح السفلي للعينة حتي محور الخمول أيضاً والجهود = صفر عند محور الخمول.

5-  تتولد جهود قص رإسية عند الركيزتين وهذه الجهود تزداد مع نقص بحر العينة (أي المسافة بين الركيزتين) ولذلك لابد ألا يقل البحر عن 14 مرة قدر عرض الكمرة الخشبية.

إجراء إختبار الإنحناء الإستاتيكي معملياً:

1-   عينة الإختبارعبارة عن عينة صغيرة خالية من العيوب أبعادها 2X 2X 30 سم (المقطع العرضي 2X2 سم وطولها 30 سم).

توضع العينة علي ركيزتين المسافة بينهم (البحر Span) = 28 سم في ماكينة الإختبارات.

3- يتم تحميل العينة في المنتصف بحمل مركزي حتي حدوث الإنهيار أو الكسر وذلك  بمعدل ثابت قدرة 6.25 مم/دقيقة.

4- رسم منحني الحمل والتشوه أو منحني الجهد والإنفعال تبعاً للماكينة المستخدمة ومن هذا المنحني نجد أن:

أ‌-       العلاقة تأخذ شكل الخط المستقيم حتي نقطة تسمي حد التناسب أو حد المرونة ويسمي الخط باسم الخط المرن.

ب‌-   يُعطي ميل هذا الخط معاير يعرف باسم معايرالمرونة (MOE) ويزداد هذا المعاير مع زيادة ميل هذا الخط.

ج- معني أن معاير المرونة عالي أن الخشب مادة صلبة (أي صعب الثني).

د- يُعبر معاير المرونة عن خاصية الصلابة أو الكزازة.

هـ- ويُعبر عن المقاومة القصوي في هذا الإختبار من خلال معايرالكسر (MOR) والذي يسمي أيضاً المقاومة القصوي في الكسر.

و- حد التناسب أو المرونة هو نقطة الإنقلاب في شكل العلاقة بين الجهد والإنفعال حيث يتحول التشكل أو الإنفعال من التشكل المرن (اي المُسترد) إلي التشكل أو الإنفعال اللدن (أي الغير مُسترد).

5- أنواع الكسر المتوقعة في إختبار الإنحناء الإستاتيكي للأخشاب يوضحها الشكل رقم 13 وهي:

كسر شد مائل

كسر شد متداخل

كسر هش

كسر قص أفقي

كسر ضغط بسيط

كسر شد بسيط

شكل 13: أنواع الكسر المتوقع في أختبار الانحناء الاستاتيكي

6- أهم الثوابت التي يتم حسابها في أختبار الإنحناء الاستاتيكي للأخشاب هي:

أ‌-      معاير المرونة ويعرف أختصاراً بـ MOE ويمكن حسابه من المعادلة التالية:

معاير المرونة =	(المسافة بين الركيزتين)3 X الحمل عند حد التناسب
	4 X التشوه المناظر عند حد التناسب X عرض العينة X  (ارتفاع العينة)3

ب- معاير الكسر ويعرف أختصاراً بـ MOR ويمكن حسابه من المعادلة التالية:

معاير الكسر=	1.5 X المسافة بين الركيزتين X الحمل عند الكسر
	عرض العينة X  (أرتفاع العينة)2

ووحدات كل من الـ MOE والـ MOR هي كجم/سم² أو رطل/بوصة² أو نيوتين/مم² (ميجابسكال).

المثال التالي يوضح ذلك:

عينة من خشب الزان أبعادها 20.2 مم X 20.3 مم X 30 سم حُملت في إختبار إنحناء إستاتيكي في المنتصف بحمل مركزي بمعدل ثابت حتي الكسر فكان الحمل اللازم للكسر 260 كجم وعندما كان الحمل 170 كجم كان التشوه المناظر 0.32 سم وذلك تحت حد التناسب والمطلوب إيجاد كل من معاير المرونة ومعايرالكسر؟

الحل:

يتم حساب معاير المرونة كما يلي:

معاير المرونة =	(28)3 X 170
	4 X 0.32 X 2.02 X  (2.03)3

ومن ذلك نجد ان معاير المرونة للزان = 17253306 كجم/سم².

ومعامل الكسر يتم حسابه كما يلي:

معاير الكسر=	1.5 X 28 X 260
	2.02 X  (2.03)2

ومن ذلك نجد أن معاير الكسر للزان = 1311.8  كجم/سم².

إختبار االضغط الموازي للألياف:

يُقصد بالألياف هنا عناصر الخشب أي أن التحميل يكون موازي للمحور الطولي للعينة.

يتم تحميل عينة الإختبار الصغيرة الخالية من العيوب (2X 2 X 6 سم) علي المقطع العرضي للعينة (2 X 2 سم) بمعدل ثابت 5 مم/دقيقة حتي الإنهيار وتسجيل قيمة الحمل الأقصي وحساب المقاومة القصوي لتهشم الخشب والتي تعرف إختصاراً بـ C_max من خلال المعادلة التالية:

المقاومة القصوي لتهشم الخشب=	الحمل الأقصي
	مساحة مقطع العينة

ووحداتها كجم/سم² أو رطل/بوصة² أو نيوتن/مم² (ميجابسكال).

وتُعبر الـ C_max عن المقاومة في الضغط ويمكن حساب معامل يونج للتعبير عن الصلابة في الضغط من خلال المعادلة:

معامل يونج=	جهد الضغط
	إنفعال الضغط

ووحدات معامل يونج هي كجم/سم² أو رطل/بوصة² أو نيوتن/مم² (ميجابسكال)

وأنواع الكسر المتوقعة في إختبار الضغط الموازي للألياف:

1- كسر إنسحاق                2- كسر وتدي            3- كسر إنشقاق

4- كسر قص                   5- كسر التفاف النهاية  6- كسر ضغط وقص

والجدول التالي يوضح بعض قيم الخواص الميكانيكية الهامة في بعض الاختبارات الميكانيكية بوحدات نيوتن/مم2 (ميجا بسكال):

الإختبار	موازي للألياف	عمودي علي اتجاه الألياف
الإنحناء الاستاتيكي:           -معاير المرونة MOE            -معاير الكسر MOR	2500- 17000 55 - 160	300 - 600 -
في إختبار الشد	50 – 160	1 - 7
في إختبار  الضغط	15 – 95	1 - 20
في إختبار القص	5 – 20	3 إلي 4 مرات قدر الموازي للألياف

2-9 العوامل المؤثرة علي الخواص الميكانيكية للأخشاب:

هناك عوامل عديدة تؤثر علي الخواص الميكانيكية للأخشاب ولذلك تُجري الإختبارات علي عينات صغيرة خالية من العيوب لتجنب التأثيرات المختلفة لتلك العيوب علي قيم الصفات الميكانيكية المُقدرة ومن هذه العوامل التي تؤثر علي الخواص الميكانيكية للأخشاب هي:

1- المحتوي الرطوبي للخشب.                    2- كثافة الخشب.

3- درجة الحرارة المُعرضة لها الأخشاب.       4- ميل الياف الخشب.

5- العيوب الموجودة في الخشب خاصة العقد والتشققات.                  

6- الإشعاعات والمواد الكيميائية

2-9-1 تأثير المحتوي الرطوبي للأخشاب علي الخواص الميكانيكية:

تؤثر الرطوبة علي الخواص الميكانيكية للأخشاب عندما تتغير الرطوبة تحت نقطة تشبع الألياف حيث:

أ- تقل المقاومة مع زيادة الرطوبة: أي أن المقاومة تزداد مع التجفيف.

ب- تزداد المتانة مع زيادة المحتوي الرطوبي: أي ان المتانة تقل مع التجفيف.

2-9-2 تأثير كثافة الأخشاب علي الخواص الميكانيكية:

تُعتبر الكثافة من أبسط وأفضل الأدلة للتعبير عن المقاومة في الأخشاب وكذلك التنبؤ بها للخشب الخالي من العيوب.

والعلاقة بين الكثافة والخواص الميكانيكية علاقة طردية أي أن الخواص الميكانيكية تزداد مع زيادة كثافة النوع الخشبي لذلك نجد أن الخواص الميكانيكية لخشب الزان مثلاً (كثافتة حوالي 0.65 جم/سم³) تكون أكبر من الخواص الميكانيكية لخشب الحور (كثافته حوالي 0.4 جم/سم³) وهذا أمر منطقي حيث تُشير الكثافة إلي كمية مادة الجدار الخلوي في وحدة الحجم وهي الجزء من الجدار الخلوي الذي يتعرض للأحمال والجهود وينفعل لها ولذلك ايهما أكثر في الخواص الميكانيكية خشب الصيف أم خشب الربيع؟

ويبين الشكل رقم 14 العلاقة بين كثافة الخشب (بوحدات نيوتن/مم³) وبين بعض الخواص الميكانيكية للأخشاب:

شكل 14: تأثير الكثافة علي الخواص الميكانيكية للأخشاب

2-9-3 تأثير ميل الألياف الخشبية علي الخواص الميكانيكية:

يُقصد بميل الألياف إتجاه العناصر الخشبية مع المحور الطولي للشجرة ومنه المستقيم والحلزوني والمتداخل.

وفي الخواص الميكانيكية يؤخذ ميل الألياف بدرجة ميل العناصر الخشبية مع سطح عينة الإختبار ودائماً ما تكون المقاومة في الإتجاه الموازي للألياف أكبر منها في الإتجاه العمودي وذلك في إختبار الشد والضغط ففي إختبار الضغط نجد ان مقاومة الضغط الموازي أكبر من العمودي بمقدار 4-12 مرة.

وزيادة ميل الألياف تقلل من الخواص الميكانيكية للأخشاب ولذلك لابد من إجراء الإختبارات الميكانيكية علي عينات مستقيمة الألياف وتستخدم معادلة هانكنسون لتقدير المقاومة في حالة تطبيق الحمل بزاوية أو وجود ألياف مائلة في عينة الاختبار.

ملخص

الخـواص الميكـانيكية للأخشـاب

تذكـر أن:

·        الخواص الميكانيكية للأخشاب تًعبر عن مدي صلاحية الأخشاب للإستخدامات المختلفة.

·        أن الخواص الميكانيكية للأخشاب تًعتبر أحدي خواص المادة.

·        هناك أنواع عديدة للقوي والأحمال التي تتعرض لها الأخشاب أثناء الإستخدام تبعاً للمنشأ والنوع والزمن والتوزيع.

·        الجهود الأساسية في الأخشاب هي جهود الشد والضغط والقص.

·        يعتبر جهد الإنحناء من الجهود المركبة في الأخشاب.

·   هناك تعريفات عديدة يجب الإلمام بها لدراسة الخواص الميكانيكية منها الجهد والإنفعال والمقاومة والمتانة والصلابة والصلادة وغيرها.

·   منحني الجهد والإنفعال هو علاقة هامة يمكن منه تقدير الثوابت الميكانيكية للأخشاب وهو يتضمن عدة مراحل تمر بها العينة المختبرة حتي الوصول لنقطة الإنهيار أو الكسر.

·        هناك مواصفات قياسية مختلفة لتقدير الخواص الميكانيكية للأخشاب منها المواصفات القياسية المصرية.

·   تًقدر الخواص الميكانيكية للأخشاب علي عينات صغيرة خالية من العيوب وتتم هذه الإختبارات بصورة مدمرة أو غير مدمرة للأخشاب.

·        من أهم الإختبارات الميكانيكية للأخشاب هو إختبار الإنحناء الإستاتيكي والضغط الموازي للألياف والصلادة والصدم.

·        هناك عدة أشكال متوقعة للكسر في أختبار الإنحناء الإستاتيكي والضغط الموزاي للألياف.

·        أهم الثوابت التي يتم حسابها من اختبار الإنحناء الإستاتيكي هي معاير المرونة ومعاير الكسر.

·        العوامل المؤثرة علي الخواص الميكانيكية للأخشاب هي:

1- المحتوي الرطوبي للخشب.

2- كثافة الخشب.

3- درجة الحرارة المُعرضة لها الأخشاب.

4- ميل ألياف الخشب.

5- العيوب الموجودة في الخشب خاصة العقد والتشققات.                  

6- الإشعاعات والمواد الكيميائية

* تزداد قيم الخواص الميكانيكية مع زيادة الكثافة أو الثقل النوعي للأخشاب وتقل تلك الخواص مع زيادة المحتوي الرطوبي ومع زيادة درجة الحرارة ووجود العقد والعيوب.

التدريبـات العملية

علي الخـواص الميكـانيكية للأخشـاب

التدريـب العملي الأول

تجهيز عينات الأخشاب لإجراء الإختبارات الميكانيكية

1-  يتم تدريب الطالب علي تجهيز عينات الإختبارات الميكانيكية للأخشاب والتي تعرف بإسم العينات الصغيرة الخالية من العيوب.

2-    تجهز العينات الصغيرة الخالية من العيوب تبعاً للمواصفات القياسية المختلفة والتي منها:

أ‌-       المواصفات القياسية الأمريكية ASTM

ب‌-  المواصفات القياسية البريطانية BSS

ج- المواصفات القياسية الألمانية DIN

د- المواصفات القياسية الدولية ISO

هـ- المواصفات القياسية المصرية ES

3-  وتختلف تلك المواصفات فيما بينها في أبعاد العينات لكل إختبار وكذلك معدل التحميل والوحدات المستخدمة لحساب القيم الميكانيكية المحسوبة.

4-    المواصفات القياسية المصرية هي تقريباً ترجمة للمواصفات القياسية البريطانية.

5-    أبعاد عينات الأختبارات الميكانيكية تبعاً للمواصفات القياسية المصرية:

م	الإختبار الميكانيكي	المقطع العرضي للعينة	طول عينة الاختبار
1	الإنحناء الاستاتيكي	5 X 5 سم 2 X 2 سم	75 سم 30 سم
2	مقاومة الضغط الموازي لاتجاه الألياف	5 X 5 سم 2 X 2 سم	20 سم 6 سم
3	الشد الموازي للألياف	2 X 0.6 سم ذات خصر في المنتصف	30 سم
4	القص في الإتجاه الموازي للألياف	مكعب طول ضلعه 5 أو 2 سم
5	الصدم	2 X 2 سم	30 سم
6	الصلادة (جانكا)	2 X 2 سم	6 سم

·   تقطع العينات من الأشجار أو الكتل الخشبية الكبيرة علي أبعاد أكبر من المذكورة في الجدول السابق ثم يتم تحديد الأبعاد النهائية الموجودة في الجدول من خلال استخدام الفارة والرابون في ورشة المدرسة.

وعلي سبيل المثال:

لقطع عينة إختبار الإنحناء الإستاتيكي تقطع العينات في المقطع العرضي بأبعاد 3 X 3 وبطول 40 سم ثم تًضبط إلي 2 X 2 سم علي الرابون والفارة وبعدها تًقطع إلي الطول المطلوب وهو 30 سم بحيث تستبعد العينات التي بها أي عيوب مثل العقد الخشبية أو ميل ألياف أو خشب شد أو ضغط أو إصابة فطرية أو حشرية وغيرها.

والدياجرام التالي يوضح طريقة قطع العينات:

6 X 6 سم

دياجرام يبين طريقة تخطيط نهاية القطاع (العينات الكبيرة 6 X 6 سم والصغيرة 3 X 3 سم).

التدريـب العملي الثـاني

ماكينة إختبارات الأخشاب

الهدف من التدريب:

تعريف الطالب بالماكينات المستخدمة لتقدير الخواص الميكانيكية للأخشاب والمستخدمة في إجراء الإختبارات الميكانيكية.

هناك عدد من المكينات المستخدمة لتقدير الأختبارات الميكانيكية للأخشاب ومنها علي سبيل المثال:ماكينة إنسترون Instron ومنها ماكينات تعمل تماماً بالكمبيوتر ومنها ماكينات أخري تعتبر نصف كمبيوتر والشكل التالي يوضح احد تلك الماكينات من النوع نصف كمبيوتر:

أحد ماكينات أختبارات الأخشاب من النوع الانسترون Instron

وهناك ماكينات أخري تستخدم لتقدير الخواص الميكانيكية للأخشاب وهي تعمل يدوياً عن طريق ضغط الزيت ومنها النوع أمسلر Amsler.

التـدريب العملي الثـالث

إختبـار الإنحنـاء الإستاتيكـي في الأخشـاب

الأدوات المطلوبة للتدريب:

1-    قدمة (بوكاليز) أو ميكرومتر.

2-    ماكينة إختبارات الأخشاب من الأنواع السابقة.

طريقة التقدير:

1-  تًجهز عينات الإختبار الصغيرة الخالية من العيوب كما سبق بأبعاد 2 X 2 سم في المقطع العرضي وبطول 30 سم.

2-   تًقاس أبعاد العينة قبل التقدير حيث يًقاس عرض العينة بالقدمة بدقة 0.05 أو بالميكرومتر بدقة  0.01 مم عند ثلاث مناطق من طول العينة (عند الأطراف والمنتصف) ويًقاس إرتفاع العينة بنفس الطريقة في الثلاث نقاط.

3-  توضع عينة الإختبار في ماكينة الإختبار بحيث يتم التحميل علي عرض العينة والمسافة بين الركيزتين (البحر) يساوي 28 سم.

4-     يتم التحميل بمعدل ثابت إما يدوياً أو بضبط معدل التحميل في الماكينة بمعدل 6.25 مم/دقيقة.

5-   يستمر التحميل بمعدل ثابت حتي كسر العينة ورسم منحني الحمل والتشوه أو منحني الجهد والإنفعال تبعاً لنوع الماكينة المستخدمة.

6-  بعد الكسر تؤخذ عينات صغيرة بطول 1 سم قرب منطقة الكسر لتقدير المحتوي الرطوبي والكثافة للعينة الخشبية.

7-     سجل من منحني الحمل والتشوه كل من القيم التالية:

أ‌-       الحمل عند حد التناسب (كجم).

ب‌-  التشوه المناظر لحمل حد التناسب (سم).

ج- الحمل الأقصي أو حمل الكسر (كجم).

8- من القيم السابقة يمكن حساب المقاييس الميكانيكية للأخشاب في أختبار الانحناء الإستاتيكي:

معاير المرونة (كجم/سم2)=	الحمل عند حد التناسب X (المسافة بين الركيزتين)3
	4 X التشوه المناظر لحد التناسب X عرض العينة X (أرتفاع العينة)3

معاير الكسر (كجم/سم2)=	1.5 X الحمل الأقصي X المسافة بين الركيزتين
	عرض العينة X (أرتفاع العينة)2

أجهاد الألياف عند حد التناسب (كجم/سم2)=	1.5 X الحمل عند حد التناسب X المسافة بين الركيزتين
	عرض العينة X (أرتفاع العينة)2

9- حدد نوع الكسر في العينة السابقة مما درست.

أ‌-       معاير المرونة =

ب- معاير الكسر=

ج- الإجهاد عند حد التناسب =

10- أحسب المحتوي الرطوبي بطريقة الفرن والكثافة بطريقة الأبعاد لعينة الإختبار السابقة.

11- سجل البيانات النهائية في جدول.

التـدريب العملي الرابـع

إختبـار الضغط الموازي للألـياف في الأخشاب

الأدوات المطلوبة للتدريب:

1-    قدمة (بوكاليز) أو ميكرومتر.

2-    ماكينة إختبارات الأخشاب من الأنواع السابقة.

طريقة التقدير:

1-  تًجهز عينات الإختبار الصغيرة الخالية من العيوب كما سبق بابعاد 2 X 2 سم في المقطع العرضي وبطول 6 سم.

2-     تًقاس أبعاد العينة قبل التقدير حيث يًقاس عرض العينة بالقدمة بدقة 0.05 أو بالميكرومتر بدقة  0.01 مم.

3-  توضع عينة الإختبار في ماكينة الإختبار بحيث يتم التحميل علي المقطع العرضي العينة ويكون المحور الطولي للعينة موازي للمحور الطولي للماكينة.

4-     يتم التحميل بمعدل ثابت إما يدوياً أو بضبط معدل التحميل في الماكينة بمعدل 0.635 مم/دقيقة.

5-     يستمر التحميل بمعدل ثابت حتي كسر العينة.

6-    بعد الكسر يتم تقدير المحتوي الرطوبي والكثافة.

9-  سجل الحمل الأقصي أو حمل الكسر (كجم) عند إنهيار العينة.

10- من القيم السابقة يمكن حساب المقاومة القصوي للتهشم أو الإنسحاق (المقاومة القصوي في الضغط):

المقاومة القصوي للتهشم (كجم/سم2)=	الحمل الأقصي
	عرض العينة X إرتفاع العينة

التـدريب العملي الخـامس

إختبار الصلادة (إختبار جانكا) في الأخشاب

** يعتبر هذا الأختبار من أهم الأختبارات المستخدمة لتقدير مدي صلاحية الأخشاب للأستخدام في صناعة أخشاب الأرضيات ويتم عن طريق غرز كرة ذات قطر معلوم في عينة الأخشاب كما في الرسم التخطيطي التالي:

 

عينة الأختبار

كرة قطرها 11.28 مم

الأدوات المطلوبة للتدريب:

1-    قدمة (بوكاليز) أو ميكرومتر.

2-    ماكينة إختبارات الأخشاب من الأنواع السابقة.

طريقة التقدير:

1-  تًجهز عينات الأختبار الصغيرة الخالية من العيوب كما سبق بابعاد 2 X 2 سم في المقطع العرضي وبطول 6 سم.

2-   توضع عينة الإختبار في ماكينة الإختبار بحيث يتم التحميل علي السطح القطري أو المماسي ولذلك يتم تقدير الصلادة في الإتجاه القطري والمماسي.

3-   يستخدم لهذا الإختبار كرة معدنية قطرها 11.28 مم وهذه تعطي مساحة قدرها 1 سم2 عند تمام غرزها في العينة الخشبية.

4-    يتم التحميل بمعدل ثابت إما يدوياً أو بضبط معدل التحميل في الماكينة بمعدل 6.5 مم/دقيقة.

5-     يستمر التحميل بمعدل ثابت حتي تمام غرز الكرة في العينة الخشبية.

6-     القيمة المحسوبة هي قيمة الصلادة وهي بوحدات كجم أو رطل أو نيوتين وبفرض انها كانت 500 كجم.

7-    معني القيمة المتحصل عليها أن قيمة الصلادة هي 500 كجم لكل 1 سم².

8-    قدر الصلادة لخشب الزان ولخشب السويد ولبعض الأخشاب المحلية مثل الكازوارينا والحور وسجل ملاحظاتك.

التدريب العملي السادس

إختبار الصدم (الإنحناء الديناميكي) في الأخشاب

الأدوات المطلوبة للتقدير:

1-    قدمة (بوكاليز) أو ميكرومتر.

2-    ماكينة إختبارات الأخشاب من الأنواع السابقة.

طريقة التقدير:

1-  تًجهز عينات الإختبار الصغيرة الخالية من العيوب كما سبق بابعاد 2 X 2 سم في المقطع العرضي وبطول 30 سم.

2-     توضع عينة الإختبار في ماكينة الإختبار بحيث تحتوي علي الجزء بهذا الأختبار وهو عبارة عن كرة وزنها 8.5 كجم معلقة علي مسافة من مكان العينة قدرها 120 سم.

3-    توضع عينة الإختبار علي الركيزتين المسافة بينهم 24 سم.

4-  يتم إسقاط الكرة (8.5 كجم) من الإرتفاع المححدد (120 سم) علي العينة فتًعطي طاقة أو شغل مقداره 10 كجم.متر.

5-  وعندما تصطدم بالعينة فان العينة تمتص جزء من هذه الطاقة وجزء أخر يًحرك البندول (الكرة المعلقة في ذراع) لتعطي قيمة مقاومة الصدم بوحدات كجم.

6-     بفرض انك وجدت القراء علي الماكينة بعد الأختبار 6 كجم.متر.

7-  معني ذلك أن العينة إمتصت طاقة مقدارها 3 كجم.متر وكلما زادت تلك القيمة دل ذلك علي أن الخشب عالي في مقاومة الصدم.

8-    قدر مقاومة الصدم لعينات من الحور والزان والكازوارينا ودون ملاحظاتك علي النتائج المتحصل عليها.

أسئلــة

علي الخواص الميكانيكية للأخشاب

1-     وضح بالرسم فقط مع كتابة البيانات:

أ‌-       منحني الحمل والتشوه في إختبار الإنحناء الإستاتيكي في الأخشاب.

ب‌-   تأثير الكثافة علي الخواص الميكانيكية للأخشاب.

ج- أنواع الأحمال التي تتعرض لها الأخشاب تبعاً للنوع.

2- عرف كل من:

     أ- الجهد

     ب- المقاومة

     ج- المرونة واللدونة

     د- الصلادة

3- تكلم عن تأثير الكثافة علي الخواص الميكانيكية للأخشاب.

4- تكلم عن تأثير الألياف الخشبية علي الخواص الميكانيكية للأخشاب.

5- أذكر فقط:

       أ- العوامل التي تؤثر علي الخواص الميكانيكية للأخشاب.

     ب- أنواع الأحمال المعرضة لها الأخشاب تبعاً للنوع.

     ج- أهم الإختبارات الميكانيكية المدمرة للأخشاب.

6- أكمل العبارات التالية بما يناسبها:

     أ- من الجهود الأساسية في الأخشاب ............ و ............

     ب- تقسم الأحمال التي تتعرض لها الأخشاب تبعاً للمنشأ إلي .......... و.......

     ج- تعرف الصلابة علي إنها ..................................................

     د- أبعاد عينة الإختبار في اختبار الإنحناء الإستاتيكي هي ......................

7- ما هو الفرق بين الإختبارات الميكانيكية المدمرة والإختبارات الغير مدمرة للأخشاب.

8- أذكر المعادلة المستخدمة في حساب كل من معاير المرونة والمقاومة القصوي لتهشم الخشب.

9- ما هو الإختبار المناسب للحكم علي مدي صلاحية الأخشاب للإستخدام كفلنكات للسكك الحديدية أو كخشب أرضيات.

10- ما المقصود بالخواص الميكانيكية للأخشاب وما هي أهمية دراستها.