CURS 1

ELEMENTE GENERALE

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.

STRUCTURA LEMNULUI

• 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 şi a construcţiilor din lemn

1. Din punctul de vedere al raportului dimensiunilor geometrice elementele de construcţie din lemn se clasifică în:

• elemente lineare (bare), la care lungimea elementului sensibil mai mare decât dimensiunile secţiunii transversale (grinzi simple sau compuse, stâlpi);

• structuri plane, la care una dintre dimensiunile elementului este sensibil mai mică decât celelalte două şi care pot prelua forţe în planul acestora (grinzi cu zăbrele, arce, cadre etc); pentru asigurarea stabilităţii în plan transversal pe planul elementului se iau măsuri suplimentare de rigidizare: contravântuiri;

• structuri spaţiale, dezvoltate tridimensional, care preiau solicitări pe trei direcţii.

Clasificarea elementelor şi a construcţiilor din lemn

2. Construcţiile şi elementele de construcţie din lemn se clasifică, în funcţie de durata de exploatare în:

definitive şi provizorii.

În categoria elementelor şi construcţiilor provizorii se includ: elementele din lemn pentru cofraje, eşafodaje şi susţineri precum şi construcţiile demontabile şi remontabile cu durata de exploatare pe un amplasament sub doi ani.

Clasificarea elementelor şi a construcţiilor din lemn

3. Din punctul de vedere al condiţiilor în care se exploatează elementele de construcţie din lemn, se definesc următoarele clase de exploatare:

• clasa 1 de exploatare, caracterizată prin umiditatea continuta de materialul lemnos corespunzătoare unei temperaturi θ = 20 ± 2°C şi a unei umidităţi relative a aerului φi ≤ 65%;

• clasa 2 de exploatare, caracterizată prin umiditatea conţinută de materialul lemnos corespunzătoare unei temperaturi θ = 20 ± 2°C şi a unei umidităţi relative a aerului 65% ≤ φi ≤ 80%;

• clasa 3 de exploatare, caracterizată prin umiditatea conţinuta de materialul lemnos superioară celei de la clasa 2 de exploatare.

Clasificarea elementelor şi a construcţiilor din lemn

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.

Avantajele constructiilor de lemn

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.

Avantajele constructiilor de lemn

5. Coeficientul de conductibilitate termica al lemnului (λ) 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 dife rite 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 alcătuire şi calcul

• Calculul elementelor de construcţie din lemn se face pe baza principiilor generale de verificare a siguranţei construcţiilor prevăzute în normative, prin verificarea comportării corespunzătoare faţă de stările limită ce pot apare în diferite etape (execuţie, exploatare, perioade de reparaţie). Verificarea se face ţinând seama de cele mai defavorabile ipoteze de solicitare şi de cele mai defavorabile caractestici ale materialelor, ce pot apare în condiţiile considerate.

• Elementele şi construcţiile din lemn se calculează în domeniul elastic de comportare al materialului.

Stari limita luate în considerare la calcul

• stări limită ultime ce corespund epuizării capacităţii de rezistenţă sau unei alte pierderi ireversibile a calităţilor necesare exploatării construcţiilor; principalele fenomene ce pot să conducă la apariţia acestora sunt: ruperi de diferite naturi; pierderea stabilităţii formei sau a poziţiei; stări care implică ieşirea din lucru a construcţiei datorită unor deformaţii remanente excesive.

• stări limită ale exploatării normale ce corespund întreruperii capacităţii de asigurare a unei exploatări normale a elementelor de construcţie; principalele fenomene ce pot să conducă la apariţia acestei categorii de stări limită sunt deplasările statice sau dinamice excesive.Observaţie: în afara verificărilor menţionate, prin proiectare să se asigure durabilitatea construcţiei din lemn la biodegradare printr o alcătuire corespunzătoare şi măsuri de prezervare.

Determinarea solicitărilor • La determinarea solicitărilor pentru verificarea la diferite stări limită

se va lua în considerare modul real de lucru al elementelor sau al structurii în ansamblu la starea limită considerată ţinând cont şi de caracterul construcţiei (definitivă sau provizorie).

• Calculul solicitărilor se face cu luarea în considerare a încărcărilor conform prevederilor din normative, valorile normate şi de calcul fiind stabilite conform standardelor pentru diferite categorii de încărcări.

• La elementele de importanţă secundară, pentru verificările la stările limită ale exploatării normale se permite să se utilizeze metode de calcul simplificate, sau să se verifice numai satisfacerea unor condiţii constructive corespunzătoare, dacă aceste prevederi nu conduc la rezolvări neacoperitoare prin calcul sau la un consum sporit de material.

Acţiuni• Valorile încărcărilor normate şi ale coeficienţilor linii de siguranţă aplicaţi

încărcărilor se stabilesc pe baza standardelor de acţiuni în vigoare.

• Efectul variaţiilor de temperatură climatică nu se ia în considerare la calculul construcţiilor din lemn. Dilatarea lemnului în lungul fibrelor la variaţii de temperatură este mult mai redusă decât la celelalte materiale de construcţii. Coeficientul de dilatare termică a lemnului în lungul fibrelor este de 3...6 milionimi din lungime pentru fiecare grad de creştere a temperaturii, iar normal pe fibre este de aproximativ 10 ori mai mare. Valoarea redusă a dilaţiei dimensionale a lemnului în lungul fibrelor la variaţii de temperatură elimină necesitatea prevederii de rosturi de dilataţie.

• În cazul unor utilaje şi instalaţii care nu se încadrează în standardele de acţiuni, precum şi la calculul elementelor de construcţie din lemn utilizate pentru cofraje sprijiniri şi eşafodaje, valorile normate ale încărcărilor, ale coeficienţilor parţiali de siguranţă aplicaţi încărcărilor şi ale coeficienţilor dinamici se determină de către proiectant pe baza datelor din proiectul tehnologic, sau a celor prevăzute în instrucţiunile tehnice speciale.

• Grupările de încărcări pentru diferitele stări limită ultime şi pentru stări limită ale exploatării normale se stabilesc conform normelor.

Specii de lemn utilizate şi domenii de folosinţă

1. Lemn de răşinoase• bradul, care se încadrează la categoria lemnului uşor şi

moale, cu contrageri mici şi rezistenţe mecanice medii; prelucrările mecanice se fac fără dificultăţi, dar relativ mai greu decât la molid din cauza smulgerilor de fibre;

• laricele, caracterizat ca un lemn potrivit de greu, moale, cu rezistenţe mecanice foarte mari pentru specia de răşinoase;

• molidul, caracterizat ca un lemn uşor şi moale, cu contragere totală mică şi rezistenţe mecanice medii; prelucrarea mecanică a lemnului de molid se realizează fără dificultăţi;

• pinul, care se încadrează în categoria lemnului greu şi moale, cu rezistenţe bune la solicitări mecanice.

Specii de lemn utilizate şi domenii de folosinţă

2. Lemn de foioase• carpenul, care se încadrează în categoria lemnului greu şi tare, cu contrageri mari

şi rezistenţe mecanice medii, superioare fagului;• fagul, lemn greu şi tare, cu contrageri mari şi proprietăţi mecanice medii; prezintă

dificultăţi la uscare, având tendinţa de a crăpa şi a se deforma;• frasinul, care se încadrează în categoria lemnului greu şi tare, cu contrageri şi

rezistenţe mecanice la nivel mediu pentru specia de foioase;• mesteacănul, lemn relativ greu şi tare, cu contracţii mari;• paltinul de câmp sau de munte, lemn relativ greu şi tare, cu rezistenţe încadrate în

categoria medie;• plopul, lemn uşor şi moale, cu contrageri reduse şi rezistenţe mecanice reduse;• salcâmul de plantaţie, care este un lemn greu şi tare, cu contrageri şi rezistenţe

mecanice reduse;• cerul, lemn greu şi potrivit de tare cu contrageri mari şi rezistenţe mari;• gorunul, lemn greu şi tare, cu contrageri mari şi rezistenţe mecanice mari;• stejarul, atestat ca un lemn greu şi tare, cu contrageri şi rezistenţe 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 şi semiecarisat care se obtine in urma debitarii lemnului brut sub formă de: scânduri 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. şipci 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 două, cu trei sau cu patru feţe plane şi grinzi cu teşituri (cioplitură); margini, lăturoaie, restrole.

Rezistenţele caracteristice ale lemnului masiv

• Rezistenţele caracteristice specificate în tabelul 2.3. sunt date pentru umiditatea de echilibru a lemnului de 12 % şi pentru durata de acţiune a încărcărilor de cel mult 3 minute.

• Lemnul ce se înscrie în clasa III de calitate nu va fi folosit la realizarea elementelor structurale.

• Pentru lemnul rotund, rezistenţele caracteristice specificate în tabelul 2.3. se vor majora cu 15 %, indiferent de specie.

Rezistenţele de calcul ale lemnului masiv

Rezistenţele de calcul, Ri, ale diferitelor specii de material lemnos, la diverse solicitări, în funcţie de condiţiile de exploatare ale elementelor de construcţie care se proiectează, se stabilesc cu relaţia:

în care:• mui sunt coeficienţi ai condiţiilor de lucru care introduc în calcul umiditatea

de echilibru a materialului lemnos, definiţi pe baza condiţiilor de microclimat în care sunt exploatate elementele de construcţie care se proiectează şi a căror valori sunt date în tabelul 2.5.;

• mdi sunt coeficienţi ai condiţiilor de lucru, stabiliţi în fum şi de durata de acţiune a încărcărilor, cu valorile specifice din tabelul 2.6.;

• Ri sunt rezistenţele caracteristice ale diferitelor specii de lemn la diverse solicitări, specificate în tabelul 2.3.:

• γi sunt coeficienţi parţiali de siguranţă, definiţi în funcţie de tipul solicitărilor în tabelul 2.7.