خصائص الأخشاب الصنوبرية

إن الخشب هو مادة البناء ذات الإرث الأقدم في السويد. وبما أنه يتم استخدام الخشب في مجموعة كبيرة من أغراض البناء - الأطر الهيكلية وكسوة الحوائط الداخلية والخارجية والتجهيزات والأرضيات والقوالب والسقالات وغير ذلك - فمن المهم أن نفهم ردود أفعال الخشب تجاه الظروف المختلفة. وبالنظر إلى الخصائص الخاصة به، فإن لكل نوع من الخشب استخدامات نموذجية.

أن خشب شجرة التنوب هو الخشب المستخدم في البناء في المقام الأول. ويتم استخداد خشب شجرة الصنوبر في أعمال النجارة والإطارات الخشبية والكسوات الخشبية الداخلية، إلا أنه يمكن أن يتم استخدام خشب شجرة التنوب في تلك الأعمال. وتستخدم الأخشاب الصلبة مثل البلوط والزان في الأرضيات والأثاث.

إن الخشب الموجود في جنوب السويد هو أكثر كثافة وقوة وتحملاً من الخشب الموجود في شمال السويد. وهذا على الرغم من حقيقة أن خشب جنوب السويد بشكل عام لديه حلقات نمو أوسع من خشب شمال السويد. والسبب في ذلك هو أن حلقات الخشب الصيفية، وهي الحلقات الأكثر دكانة بين حلقات النمو، تكون أوسع في جنوب السويد.  وتجدر الإشارة إلى أن كثافة حلقات الخشب الصيفية، والتي يصل وزنها إلى 900 كيلو في كل متر مكعب من الخشب الجاف، هي ثلاث أضعاف كثافة حلقات الخشب الربيعية، والتي يصل وزنها إلى 300 كيلو في كل متر مكعب من الخشب الجاف.

 

تختلف خصائص المواد بين أنواع الخشب المختلفة. وحتى في نفس النوع فإن هناك كبيرة بين مواقع النمو المختلفة، وأيضاً بين الأشجار المختلفة التي تُزرع في نفس الموقع. وعلى الرغم من ذلك فإن هناك تبايناً كبيراً داخل الشجرة ذاتها، على سبيل المثال اختلافات بين الارتفاعات المختلفة في الشجرة، واختلافات بين الخشب فيما يتعلق بمدى قربه من قلب الشجر، وكذلك بين حلقات الخشب الربيعية وحلقات الخشب الصيفية فيما يتعلق بحلقات النمو الفردية. كما تؤثر العقد وتشوهات الألياف (العيوب) أيضاً على الخصائص التقنية للخشب.

الاختلافات الطبيعية لخصائص الكثافة والقوة والصلابة (معامل المرونة) في نفس نوع الخشب مع تركيبة ألياف غير مشوهة:

  • الكثافة ±20 في المئة
  • القوة ±40 في المئة
  • معامل المرونة ±35 في المئة.

ومن ثم فإن الناتج يكون أكبر على سبيل المثال بين متوسط قوة الخشب والقوة المسموح بها، بالمقارنة مع غيره من مواد البناء.

الجدول رقم 11 البيانات الفيزيائية لأخشاب الصنوبر والتنوب

قيم القوة ومعامل المرونة هي قيم متوسطة، وتشير إلى عينات اختبار صغيرة، مع عدم وجود عيوب، في متوسط درجة حرارة 20 درجة مئوية.
إن الأرقام المذكورة مع عدم وجود أقواس تعبر عن الخصائص الموازية للألياف (II)، والأرقام المذكورة بين الأقواس تعبر عن خصائص الزاوية القائمة باتجاه الألياف ( ḻ ).
كافة القيم المذكورة للخشب هي ذات محتوى رطوبي بنسبة 12%.
على الرغم من وجود بعض الاختلافات بين التنوب والصنوبر، إلا أنهما متماثلين إحصائياً من حيث شروط البناء.

الخصائص الصنوبر التنوب
المحتوى الرطوبي (%) II 12 12
الكثافة الأساسية (كيلوغرم\متر مكعب) II 420 380
الكثافة (كيلوغرم\متر مكعب) II 470 440
قوة الشد (ميغاباسكال) II 104 90
  (3) (2,5)
متانة الانحناء (ميغاباسكال) II 87 75
متانة الضغط (ميغاباسكال) II 46 40
  (7,5) (6)
متانة الجز (ميغاباسكال) II 10 9
مقاومة الصدمات (كيلوجول \ متر مربع) II 70 50
الصلادة (برينل) II 4 3,2
  (1,9) (1,2)
معامل المرونة (ميغاباسكال) II 12 000 11 000
  (460) (550)
الموصلية الحرارية (واط\متر درجة مئوية) II 0,26 0,24
  (0,12) (0,11)
السعة الحرارية (جول\كيلوغرام درجة مئوية) II 1 650 1 650
القيمة الحرارية (ميغاجول\كيلوغرام) II 16,9 16,9

ميغاباسكال = نيوتن \ ملليمتر مربع

تكوين وبنية الشجرة

لدى أشجار الصنوبر وأشجار التنوب بنية مشابهة. ففي منتصف المقطع المستعرض للجزع يوجد لب الشجرة، وهو الموجود بطول الشجرة وينتهي عند أعلى الشجرة ببرعم. ويكون لب الشجرة محاطاً بخشب وهو ما يمكن أن ينقسم إلى خشب القلب وخشب النُسغ (الخشب العصاري). أما بالنسبة للخلايا الموجودة في منطقة خشب القلب فهي خلايا ميتة، وتم انسداد بعضها بالراتينج، وهو ما يعني أن تلك المنطقة من الخشب لا يمكنها نقل الماء، وبالتالي يكون المحتوى الرطوبي منخفض نسبياً، 30 - 50 في المئة. كما أن خلايا منطقة خشب النُسغ (الخشب العصاري) تكون ميتة أيضاً، باستثناء 5 - 10 في المئة، وهي خلايا النسيج الحشوي التي تقوم بنقل الغذاء إلى باقي أجزاء الشجرة.

وبما أن خلايا خشب النُسغ لا تكون مسدودة بالراتينج، فإنها تكون قادرة على نقل الماء والعناصر الغذائية الذائبة من جذور الشجر إلى أوراق الشجر الإبرية. ويتراوح معدل المحتوى الرطوبي في خشب النُسغ بين 120 إلى 160 في المئة. وتوجد طبقة الكمبيوم (الطبقة المنتجة للحاء والخشب) حول خشب النُسغ، وهي طبقة نمو الساق. وتقوم طبقة الكمبيوم بإنتاج خلايا الخشب في الجزء الداخلي وإنتاج خلايا لحاء الخشب في الجزء الخارجي. وتكون طبقة الكمبيوم مغطاة بقلافة (لحاء)، وهي ما يطلق عليها في الغالب اللحاء الداخلي. وتقوم هذه الطبقة بنقل العناصر الغذائية (الكربوهيدرات) إلى أسفل من خلال الجذع وتقوم بتوزيعهم على الخلايا الحية في فروع الشجرة وجذعها وجذرها. وترتبط طبقة اللحاء باللب عن طريق الخيوط النخاعية، والتي تكون حية في خشب النُسغ وتكون ميتة في خشب القلب. ويغلف اللحاء الخارجي الساق بأكمله، وهو يوفر الحماية من فقدان المياه والحماية من الطفيليات المختلفة. 

تتألف أخشاب أشجار الصنوبر من 40 - 50 بالمئة من ‏السلولوز‏، حوالي 20 - 22 بالمئة من الهيميسلولوز، وأقل من 30 بالمئة من اللغنين (الصمغ).

وبالإضافة إلى ذلك فإن هناك أيضاً 2 - 6 بالمئة من المواد الاستخراجية في الخشب. والغالبية العظمة من تلك المواد تكون أحماض الراتينج والأحماض الدهنية والكربوهيدرات والمواد المعدنية (الرماد).

وبالنسبة لغالبية الخشب، فإن 90 - 95 بالمئة من الخشب يتألف من خلايا طويلة وخاوية، وهي ما يُطلق عليها في صناعة الغابات اسم الألياف. وتكون سماكة هذه الألياف بنفس سمك الشعرة وتتراوح في الطول بين 0,5 مم إلى 6 مم. أما باقي الخلايا الأخرى فهي تكوم أقصر وأقل سمكاً.

وخلال مرحلة النمو فإنه يتم تكوين خلايا جديدة في منطقة الكمبيوم. وبالنسبة للخلايا التي تتشكل في فصل الربيع وأوائل الصيف تكون خلايا أقصر وأكثر اتساعاً نسبياً وذات جدران رقيقة. وهذا يعني أن الكثافة الأساسية منخفضة، حوالي 300 كيلو في المتر المكعب. في حين أن حلقات الخشب الصيفية، التي تتشكل خلال الصيف، تكون أطول بنسبة 20 - 25 في المئة وتكون جدران خلاياها أكثر سمكاً من حلقات الخشب الربيعية. وتجدر الإشارة إلى أن جدران الخلايا الأكثر سمكاً يعني أن خلايا الخشب الصيفي تكون أثقل وزناً بثلاثة أضعاف تقريباً من خلايا الخشب الربيعي، مع كثافة تصل إلى 900 كيلوغرام\متر مكعب تقريباً. ونظراً لاختلافات الكثافة، فإن الخشب الربيعي تبدوا حلقاته أفتح لوناً من حلقات الخشب الصيفي.

إن كثافة الخشب هي عاملاً رئيسياً لكثير من الخصائص الفنية للخشب، وهي يتم تحديدها بشكل كبير من خلال نسبة الخشب الصيفي في عرض حلقات النمو. إلا أن الحكم على كثافة الخشب استناداً على عرض حلقات النمو فقط يُعتبر أمراً مُضللاً.

ويُحدد المناخ جزئياً الطريقة التي تطور بها حلقات النمو خلال موسم النمو. وبالتالي فإن حلقات النمو تميل إلى أن تكون أضيق في العادة وأن تكون حلقات الخشب الصيفية أقل سمكاً في المناطق ذات المناخ البارد بالمقارنة مع المناطق ذات المناخ الأدفأ. وقياساً على ذلك، فمن الممكن أن نرى مؤشرات لسنوات نمو جيدة وأخرى سيئة، وكيف تأثرت ظروف النمو بتدابير زراعة الغابات المختلفة. يزداد النمو بعد التقليم وذلك بسبب إمكانية وصول الضوء والغذاء بشكل أفضل، وعلى النقيض من ذلك فإن النمو يمكن أن يصبح سيئاً إذا ما بدأت الشجرة في النمو قريباً جداً من شجر مجاور أكبر حجماً.

يتنوع عرض حلقات النمو كما تتنوع نسبة الخشب الصيفي في الجذع الواحد.
ففي الجزء الداخلي من الجذع، في الخشب الجديد القريب من اللب، تكون حلقات النمو غالباً أكثر اتساعاً ذات حلقات خشب صيفية رقيقة. وبالتالي فإن كثافة الخشب الموجود بالقرب من اللب تكون منخفضة، بالمقارنة مع الخشب الناضج الموجود خارج نصف قطر الجذع. وهذا هو الحال بطول الشجرة بالكامل.

وفي الأجزاء الخارجية من الجذع، خاصة في المنطقة السفلية، تكون حلقات النمو أضيق وتمون حلقات الخشب الصيفي فيها أوسع. وبالتالي فإن نسبة الخشب الصيفي تكون أكبر، وهو ما يؤدي إلى أن تكون الكثافة والصلابة أكبر في الخشب الناضج. وتحتاج الأجزاء السفلى من الجذع إلى أن تكون أكثر صلابة لكي تتمكن من مقاومة ضغوط الرياح والثلوج. وبالتالي فإن الكثافة تكون أكبر في كتل الخشب السفلية من كتل الخشب الوسطى أو كتل الخشب العلوية.

 

المتانة

إن الخشب مادة متباينة الخواص، وهو ما يعني أن له خصائص مختلفة في اتجاهات مختلفة. إن الخشب مادة متباينة الخواص، وهو ما يعني أن له خصائص مختلفة في اتجاهات مختلفة، فعلى سبيل المثال يكون الخشب قوي جداً في اتجاه الألياف، أي بطول الجذع، أكثر من الخشب التي تكون فيه الألياف مستعرضة. وهذا ما يكون عليه الحال سواء كان الحمل ناتج عن الضغط أو الشد أو الالتواء الموجود في الخشب.

وتعتمد المتانة  في جزء منها على كثافة الخشب وعلى مدى مطابقة اتجاه الألياف لاتجاه القوى التي تنشأ عند وضع الخشب تحت تأثير قوى خارجية.

وينحرف اتجاه الألياف من اتجاه القوى في عُقد الخشب وعندما لا تكون الألياف موازية لحافة الخشب.

كما تتأثر المتانة أيضاً بمستوى الرطوبة في الخشب ودرجة حرارته والفترة التي استمر خلالها للتعرض للضغط. فقطعة الخشب الجافة أقوى من قطعة الخشب الرطبة، والخشب البارد أقوى من الخشب الدافئ. وكلما طالت المدة التي استمر الخشب خلالها تحت الضغط، كلما قلت قوته.

وقد يحدث الكسر تدريجياً أو قد يحدث بشكل سريعاً. فالكسر السريع يكون فجائياً ويحدث دون سابق إنذار. أما بالنسبة للكسر التدريجي فهو يسبقة شكل من أشكال التحذير، مثل تشوهات كبيرة أو أصوات طقطقة في الخشب. وبشكل عام فإن الكسر التدريجي هو النوع المفضل، وهو نوع الكسر الغالب في الأخشاب.

وتعتمد قوة الخشب على كيفية حدوث الضغط، ومن ثم فإن هناك العلاقة التالية:

الجدول رقم 12 القوة - الضغط

القوة الضغط
قوى الضغط قوة الضغط
قوى الشد قوة الشد
قوى الانحناء قوة الانحناء
قوى القطع قوة القطع

 

لا يمكن الاستفادة الكاملة من قوة الخشب حول منطقة الكسر، ولذا فإنه ينبغي اختيار مستويات أدنى من التحميل. ويرجع ذلك إلى أن خصائص الخشب موزعة على نطاق كبير جداً، وهذا ما يعني أن هناك حاجة إلى حد للأمان.

وفيما يتعلق بالمتانة، فإنه يتم معالجة كل من أخشاب أشجار الصنوبر والتنوب بنفس الطريقة، وغالباً ما يتم تقييمهم بكونهم لديهم قيم المتانة ذاتها:

  • تكون المتانة ضد الانضغاط مرتفعة في اتجاه الألياف، إلا أنها تكون أقل من ذلك بكثير ، حوالي 1/6 عبر الاتجاه العرضي للألياف
  • تكون المتانة ضد الشد مرتفعة في اتجاه الألياف، إلا أنها تكون أقل من ذلك بكثير ، حوالي 1/30 عبر الاتجاه العرضي للألياف.
  • ويتم قياس المتانة ضد الميل عادةً مع اتجاه الألياف.
  • وتكون المتانة ضد  القطع أكثر ارتفاعاً عبر الاتجاه العرضي للألياف أكثر مما يكون عليه الحال في اتجاه الألياف، وهكذا ففي أغلب الحالات تكون المتانة ضد القطع في اتجاه الألياف عنصراً هاماً، على سبيل المثال في نهايات العارضات.

ويمكن أن تشتمل خصائص المتانة أيضاً على الصلابة والصلادة. إن الصلابة عكس الالتواء والتشوه. وعندما يتم التواء لوح خشبي ذو مستويات مرتفعة من الصلابة، فإنه لا يلتوي كثيراً، بل يبقى مستوياً تماماً. وتتوقف درجة الالتواء على اتجاه الألياف في الخشب وعلى معامل المرونة الخاصة به. فمعامل المرونة المرتفع يعني صلابة مرتفعة.

وتشير الصلادة إلى سهولة تلف السطح بواسطة الضغط الخارجي، على سبيل المثال الكعب على الأرضيات أو الدق على سطح طاولة. وتكون صلادة الخشب أكبر في اتجاه الألياف من ما يكون عليه الحال في الألياف العرضية.

إن الأرضيات الخشبية المصنوعة من نهايات الألياف في الخشب تكون صلبة ومتينة وذلك لأن سطحها مصنوع من الأخشاب الطرفية.

وبغض النظر عن اتجاه الألياف، فإن قوة الخشب تعتمد في المقام الأول على الكثافة. وفي الأرضيات الخشبية، فإن الخشب الربيعي يهترئ بشكل أسرع من الخشب الصيفي. ولذا فإنه ينبغي استخدام الخشب ذو الكثافة المرتفعة للأرضيات.

الخصائص الحرارية
لدى الخشب خصائص حرارية جيدة، وقد تم استخدام الخشب تاريخياً كمادة عازلة للحرارة. وتجدر الإشارة إلى أن التوصيل الحراري يكون كبيراً في اتجاه الألياف، ويزيد مع مستوى الرطوبة والكثافة.

فالقدرة الحرارية للخشب عالية نسبياً وتصل إلى حوالي 1,300 جول لكل كيلوغرام درجة مئوية للخشب الجاف تماماً.

والقيمة الحرارية الفعالة لكل من أخشاب الصنوبر والتنوب كوقود هي 19.3 ميجا جول لكل كيلوغرام من المحتوى الجاف. انظر الجدول رقم 11، خصائص الأخشاب الصنوبرية.

خصائص الاحتراق

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على خصائص احتراق الخشب، ويأتي في المقام الأول المحطوى الرطوبي والمقاييس والكثافة واتجاه الألياف. ويمكن يختلف الوقت المستغرق حتى الاشتعال اختلافاً كبيراً وهذا يعتمد على الإشعاع الحراري والتهوية ووجود اللهب المكشوف. وأدنى مستوى للإشعاع الحراري لاحتراق الخشب بلهب مكشوف هو حوالي 12 كيلوواط لكل متر مكعب. وللاحتراق دون لهب مكشوف فينبغي أن يتوفر إشعاع حراري ذو مستويات أعلى. فالكسوة الخشبية التي يكون سمكها ³ 18 مم (³ 12 مم دون وجود فراغ هوائي خلف الكسوة الخشبية) تستوفي متطلبات الطبقة D، بموجب النظام الأوروبي. وتجدر الإشارة إلى أن حرق الأخشاب ينتج عنه كميات معتدلة من الدخان.

ولدى الهياكل الخشبية خصائص جيدة فيما يتعلق بالسلامة من الحرائق. كما أن الخشب يتفحم ببطء، ويوجد خشب عادي تحت السطح المتفحم، والذي يحتفظ بخصائصه الأصلية. إن معدل التفحم حوالي 0.5 - 1 مم في الدقيقة. وتجدر الإشارة إلى أن مقاييس الخشب الكبيرة وحماية سطح الخشب يمكن أن يجعل مقاومة الهياكل الخشبية للحريق أعلى.

ويمكن تحديد قدرة مقاومة النيران لدى الهياكل الخشبية على سبيل المثال من خلال الحساب وفقاً للمعيار الأوروبي  Eurokod 5.