• anyagok
• fa
• faanyagok
• kémény

Fa mechanikai tulajdonságai: rugalmasság, szilárdság, keménység, kopás

Mechanikai tulajdonságoknak nevezzük a fának külső erők alakváltoztató hatá­sával szemben tanúsított ellenálló képességét. Mechanikai tulajdonságai alapvető­en meghatározzák a faanyag műszaki felhasználhatóságát.

A fa mechanikai tulajdonságai két csoportba sorolhatók: rugalmassági és szilárdsági jel­lemzőkre. A fa egyik legfontosabb műszaki jellemzője, hogy viszonylag alacsony sűrűsége (súlya) mellett magas szilárdsággal és nagyfokú rugalmassággal rendelkező anyag, mely széles körű felhasználási lehetőségeket biztosít. Ez teszi lehetővé többek között azt, hogy az építő-, gép- és járműipar felhasználja.

A fa rugalmassága

A rugalmasság a szilárd anyagok azon tulajdonsága, hogy külső erő hatására képesek meg­változtatni, a terhelő erő megszűnése után pedig vissza tudják nyerni eredeti alakjukat és méretüket. Annál rugalmasabb egy anyag, minél nagyobb deformációt képes elviselni maradandó alakváltozás nélkül. A fa rugalmas anyag. A külső erőhatás alól felszabadulva a fa részben visszanyeri eredeti méreteit.

A rugalmasság fontos jellemző a fa mechanikai megmunkálása, hámozása és hasítása, vala­mint hajlítása során. A rugalmasság a faanyag tömörítésénél is fontos jellemző. Tökéletesen pórusmentes faanyag, ún. tiszta sejtfal csak elméletben, illetve csak rövid időre állítható elő.

Igénybevétel, alakváltozás

A fából készült anyagokat, elemeket felhasználási helyüknek megfelelően különböző jellegű és mértékű erőhatások, igénybevételek érik. Ezek az igénybevételek a faelemek különféle alakváltozásait okozzák.

Egyszerű igénybevétel a húzó, a nyomó, a hajlító, a nyíró és a csavaró igénybevétel. Igény­bevétel okozta alakváltozás a megnyúlás, az összenyomódás, a behajlás, az elcsúszás, a csavarodás. Ezek az erőhatás mértékétől függően kétfélék lehetnek.

• Rugalmas alakváltozás. A faelem a külső erő alól felszabadulva visszanyeri eredeti alakját és méreteit.
• Maradó alakváltozás. A faelem az igénybe­vétel megszűnése után már nem nyeri vissza eredeti formáját és méreteit.

Az igénybevétel lehet statikus, ha a külső erő nagysága időben állandó, vagy időegység alatt és felületegységre vetítve egyenletesen növekvő. Dinamikus az igénybevétel abban az esetben, ha hirtelen, lökésszerűen éri a faelemet (ilyen pl. az ütő-hajlító igénybe­vétel).

A fa rugalmasságát befolyásoló tényezők

• Fafaj. Ez határozza meg legnagyobb mér­tékben a rugalmasságot. Általánosságban elmondható, hogy a kemény lombos fák a legrugalmasabbak, nem sokkal marad­nak el ezektől a tűlevelűek, és a legkevésbé rugalmasak a lágy lombos fák. Kiemelke­dően rugalmas faj a bükk, a gyertyán, a kőris, a vörösfenyő.
• Sűrűség. Ugyanazon fafajon belül a növeke­désével a rugalmasság is növekszik.
• Anatómiai irányok. A faanyag rostirányú rugalmassága többszöröse a szálirányra merőleges terhelésnél mérhető rugalmasság­nak.
• Nedvességtartalom. Növekedésével a kötött víz tartományában a rugalmasság csökken. A szabad víz tartalma már nem befolyásolja a rugalmasságot.
• Hőmérséklet. A faanyag rugalmassága 20°C-on a legnagyobb. A hőmérséklet emelkedésé­vel a rugalmasság egyre csökken, 100°C-on az eredeti értéknek már csak mintegy 60%-át teszi ki.
• Évgyűrűszerkezet és fahibák. A sűrű, egyen­letes évgyűrűszerkezet növeli a faanyag rugalmasságát, a fahibák pedig csökkentik azt.

A fa szilárdsága

Amikor egy elemre valamilyen igénybevétel hat, a külső erő alakváltoztató hatásának ellen­súlyozására az elemben belső erők ébrednek. A külső erőhatás növekedésével együtt a belső erők mértéke is növekszik. A belső erők fellépése a faelemben feszültséget okoz. Feszültségnek nevezzük a belső erők felületegységre jutó nagyságát

• Szilárdság. Az anyag különböző igénybevételekkel (nyomással, húzással, hajlítással, nyírás­sal stb.) szembeni ellenállása. Ha az igénybevétel nagyobb feszültséget okoz, mint az adott anyag részecskéit összetartó erő, az anyag szerkezete megbomlik: eltörik, elszakad, elreped stb. A különböző igénybevételeknek megfelelő szilárdság az a feszültség, amelynél ez bekö­vetkezik.
• Húzószilárdság (szakítószilárdság). A fa száliránnyal párhuzamosan mért húzószilárdsága 20-30-szorosa a rostokra merőleges értéknek. A göcsök, a hullámosság és az egyéb fahibák csökkentik a faanyag húzószilárdságát.
• Nyomószilárdság. A fa száliránnyal párhuzamosan mért nyomószilárdsága többszöröse (5-7 szerese) a rostokra merőleges értéknek. Legalacsonyabb a lágy lombos, legmagasabb a kemény lombos fák nyomószilárdsága.
• Hajlítószilárdság. Hajlító igénybevétel esetén a faanyag keresztmetszetében kétféle feszült­ség jön létre: a nyomóerőhöz közelebb eső (homorú) oldalon nyomófeszültségek, a másik oldalon pedig húzófeszültségek ébrednek. A nyomott és húzott rész határán helyezkedik el az ún. semleges réteg, melyben a feszültség értéke zérus. Minél távolabb esnek a szálak a semleges rétegtől, annál nagyobbak a bennük ébredő feszültségek. A fa hajlítószilárdsága hosszanti rostirány esetén nagy, más irányokban gyenge. A fahibák jelentősen ronthatják a faanyag hajlítószilárdságát.
• Nyírószilárdság. Nyíró igénybevételről beszélünk akkor, ha a külső erő a nyírt felü­let (metszet) mentén az alkatrész két részét egymáshoz képest elcsúsztatni igyekszik. A nyírószilárdság értéke a rostokra merőle­gesen 3-4-szer nagyobb, mint azokkal párhu­zamosan. A legnagyobb értéke 8%-os nettó fanedvességnél mérhető.

A fa szilárdságát befolyásoló tényezők

A fa inhomogén és anizotrop anyag, ezért szilárdsági és más mechanikai jellemzőit (keménység, kopásállóság) szöveti felépítése és külső paraméterek is befolyásolják. A szi­lárdságot befolyásoló elsődleges tényező a fafaj. Ugyanazon fafajon belül pedig a sűrű­ség, az anatómiai irány, a nedvességtartalom, a fahibák, a kémiai összetétel (pl. a gyanta­tartalom), a terhelés ideje, a fa egészségi álla­pota, a hőmérséklet.

A szilárdságot befolyásoló tényezők:

• Sűrűség. Ugyanazon fafajon belül a sűrű­ség növekedésével a faanyag szilárdsága is nagyobb lesz.
• Fafaj. Minden fafajta esetén meghatároz­ható egy adott igénybevételhez tartozó átlagos szilárdság. A termőhelytől, klima­tikus viszonyoktól, a fatörzsben elfoglalt helyzettől függően azonban a sűrűség, és ezáltal a szilárdság értéke igen tág határok között változhat.
• Anatómiai irány. Az igénybevételek több­ségénél a száliránnyal párhuzamos ter­heléshez tartozó szilárdság sokszorosa a szálirányra merőleges szilárdságnak. így húzásra, nyomásra, kihaj­lásra sokkal jobban terhelhető a faanyag száliránnyal párhuzamosan, mint arra merőlegesen. Vannak azonban olyan igénybevételek is, melyeknél a száliránnyal párhuzamos terhelés eredményezi a kisebb szilárdságot, ilyen például a nyírás.
• Nedvességtartalom. A nedvességtartalom növekedésével csökken a faanyag szi­lárdsága. A legszilárdabbnak az abszolút száraz faanyag tekinthető. Kivételt képez a nyírószilárdság, melynek értéke 8%-os nedvességtartalom esetén a legnagyobb.
• Fahibák. A göcsök, a hullámos vagy csa­varodott rostok, a görbeség csökkentik a szálirányú húzó- és nyomószilárdságot, a hajlítószilárdságot.
• Kémiai összetétel. A tűlevelűek magas gyantatartalma növeli a sűrűséget, ezzel a szilárdságot is, ugyanakkor a rugalmas­ságot csökkenti. A színes geszt a sejtekbe berakódott gesztanyagok miatt szilárdabb, de kevésbé rugalmas, mint a szijács.

A fa keménysége

A keménység az anyag felületi szi­lárdsága. Azzal az ellenállással jel­lemezzük, amelyet a szilárd anyag kifejt egy másik, keményebb anyag behatolásával szemben.

A gyakorlatban a faanyag jellemzőjeként a sűrűség helyett gyakran a keménysé­get használjuk. Puhafát, kemény fát és középkemény fafajokat különböztetünk meg egymástól. A gyakorlati felhasználások során a keménységnek fontos szerepe van ott, ahol a fafelületek fokozott igénybevételnek, kopásnak vannak kitéve (pl. padló- és útbur­kolatok, lépcsők, küszöbök, munkafelületek, csúszólécek stb. esetén).

A fa keménységének mérésére több hasonló elven működő eljárás létezik, melyek mind­egyike a fa keményebb anyag benyomásával szemben kifejtett ellenállását veszi alapul. A legismertebb eljárás a Brinell-Mörath-féle módszer.

A Brinell-Mörath-féle mérési módszerrel egy 10 mm átmérőjű acélgolyót meghatározott erővel a fa próbatest (50x50x50 mm) felüle­tébe nyomnak.

A Brinell-Mörath-féle mérési módszer több hibalehetőséget is hordozhat magában. Egyes széles évgyűrűk esetében az acélgolyó 10 mm-es átmérője túl kevés, ráadásul a bütüfelületen hasítóhatást is kifejt. A benyomódási kör átmérőjének mérése (d) is pontatlan lehet, főleg ha a mélyedés nem szabályos kör, hanem ellipszis alakú. A háromféle nyomóerő alkalma­zása a különböző fafajok közötti összehasonlítást teszi bizonytalanná.

A Janka-féle mérési módszernél egy 11,128 mm átmérőjű acélgolyót pontosan a feléig a pró­batest felületébe nyomunk.

A benyomódott felületet ismerjük, így a benyomódáshoz szükséges erőt mérjük. A Janka-féle keménységet is az erő és a felület hányadosaként szá­moljuk. Az eljárás hátránya, hogy nagy a benyomódási mélység, így hasító hatás jelentkezik.

A Krippel-Pallay-féle módszer lényege, hogy a 31,834 mm átmérőjű acélgolyót 2 mm mély­ségig nyomjuk az anyagba. Így a 200 mm² felületen fejtjük ki a nyomóerőt, amelyet külön mérünk. A keménységet az erő és a felület hányadosaként kapjuk.

A nagyobb sűrűségű fafajok rendszerint keményebbek is, valamint a faanyag száliránnyal párhu­zamos bütükeménysége legalább kétszerese a szálirányra merőleges keménységnek.

A faanyag kopásállósága

Ha a faanyag felülete súrlódásnak van kitéve, kopást szenved. A kopásállóság szoros összefüggésben áll a felületek szilárdságát kifejező keménységgel. Mindkét mechani­kai tulajdonságnak ott van jelentősége, ahol a fafelületek fokozott igénybevételnek van­nak kitéve: padló- és útburkolatok, lépcsők, küszöbök stb. esetén.

A kopásállóság kifejezhető a felület elhaszná­lódásakor bekövetkező tömeg-, térfogat- vagy vastagsági veszteséggel. Meghatározása több­féle módszerrel lehetséges (homokfúvásos eljárás, csiszolásos eljárások).

A kopásállóság mértékegysége vastagsági csökkenésnél mm/100 fordulat, tömegvesz­teségnél g/100 fordulat. A kopásállóság egy­szerűbb kifejezésére a különböző fafajokat a bükkhöz hasonlítjuk úgy, hogy a bükk kopásállóságát egységnyinek tekintjük. A viszonyszámok jól szemléltetik, hogy a leg­sűrűbb és a legkeményebb mérsékelt égövi fafajok közé tartozó akác és gyertyán egyben a legjobb kopásállósággal is rendelkezik. A kötött és szabad víztartalom növekedése egyaránt csökkenti a kopásállóságot.