CC BY
7
ш
нлты
ЫКРА1НИ
»irnieft®
Науковий BicH и к Н/1ТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280311 Article received 28.03.2018 р. Article accepted 26.04.2018 р.
УДК 630*811.2
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
@ El Correspondence author I. M. Sopushynskyy [email protected]
I. М. Сопушинський1, Х. МШтц2, Р. Т. Максимчук1, В. Бщкс2
1 Нацюнальний лкотехтчний утверситет Украши, м. Львiв, Украша 2 iemmiMeHCbKuü утверситет iM. Георга Августа, м. temmiMeH, HiMe44UHa
ДИНАМ1ЧНИЙ МОДУЛЬ ПРУЖНОСТ1 ХВИЛЯСТО-ЗАВИЛЬКУВАТО*
ДЕРЕВИНИ ABIES ALBA MILL.
Дослщжено ввдмшност динамiчного модуля пружноста, коефщента затухання та швидкосп звуку хвилясто-завилькува-то! деревини т^вняно з прямоволокнистою деревиною ялицi бшо!. Графiчно наведено варiацiю дослiджуваних показникiв у межах радiуса та висоти стовбура. У межах радiуса стовбура i3 хвилясто-завилькуватою структурою можна видшити два класи якостi деревини, а саме: перший - перифершна деревина (40 % радiуса стовбура) та другий - центральна (ядрова) деревини. Структурне розмiщення деревного волокна, зокрема хвилясто-завилькувате, iстотно визначае фiзико-механiчнi характеристики деревини та 1х варiацiю. Коефiцiент затухання деревини змшюеться: ввд 6 до 10 для хвилясто-завилькувато! деревини; вiд 12 до 14 для прямоволокнисто! деревини. Встановлено прямолшшну залежнiсть першого порядку мiж дина-мiчним модулем пружностi та об'емною масою деревини. Збiльшення об'емно! маси прямоволокнисто! деревини зумовлюе збiльшення модуля пружност та описуеться рiвнянням прямо! (R2=0,69.. .0,72). Прямолiнiйна залежтсть мiж динамiчним модулем пружностi та щiльнiстю хвилясто-завилькувато! деревини е шверсшною. Динамiчний модуль пружност прямоволокнисто! деревини знаходиться в межах вiд 5921 до 12995 Н-мм"2, а хвилясто-завилькувато! деревини - ввд 5053 до 12393 Н-мм-2.
Krnuoei слова: ялиця бша; хвилясто-завилькувата деревина; динамiчний модуль пружностц об'емна маса; коефiцiент затухання.
Вступ. Неруйшвне оцiнювання якостi деревини е важливою складовою И мехашчного сортування, що вь дiграе важливу роль у дерев'яному будiвництвi та ви-робництвi конструктивних брусiв. Так, бшьшють на-укових праць стосуються вивчення модуля пружностi як штегрального показника мехашчно! якостi деревини, метою яких було сортування пиломатерiалiв за мщшс-тю деревини на класи якосп, в !х основi закладено ста-тичне та динамiчне навантаження. Чимало таких робiт висвiтлюють питання варiацi! модуля пружностi деревини тд час статичного згину та на розтяг вздовж волокон. Показники динамiчного модуля пружностi деревини е дещо бiльшими, порiвняно з аналогiчними показ-никами статичного модуля пружносп (Div6s & Тапака, 2005). Акустичний метод визначення модуля пружносп деревини е одним iз найкращих неруйнiвних методiв дь агностування вад деревини та дефектiв композицшних матерiалiв (Zhenbo et а1., 2005). Вщповщно до теоретич-них засад, модуль пружносп дорiвнюе добутку об'емно! маси деревини та квадрату швидкосп звуку в деревиш вздовж волокон (Висиг, 2006; ^Шопту et а1., 2007). При цьому кут нахилу мiкрофiбрил ранньо! деревини впли-
вае бiльше на модуль пружностi деревини, шж тзньо!', що пов'язано з його бшьшою варiацieю у раннш дереви-hí рiчного к1льця (Lachenbruch et al., 2010). У деревиш бшьшосп хвойних порщ встановлено збшьшения се-реднього значения модуля пружносп в радiальному напрямку вiд серцевини до кори (Machado & Cruz, 2005; Beaulieu et al., 2006). Така закономiрнiсть зумов-лена збшьшениям довжини трахе!д у напрямку вщ серцевини до периферп стовбура та вщ комлево! частини стовбура до початку його крони (Mvolo et al., 2015). Пе-рехщна зона м1ж ранньою та тзньою деревиною зумовлюе характер змши щiльностi деревини в межах рiчно-го к1льця та вiдповiдно визначае властивосп деревини, особливо для швидкорослих хвойних видiв (Koubaa et al., 2005). Так, тд час застосування резонансного методу для визначення динамiчного модуля пружностi деревини, корелящя мiж останнiм та статичним модулем пружностi деревини е бшьш прогнозована (Barr et al., 2015). Динашчний модуль пружностi шльцесудинно! та розаяносудинно! деревини знаходять у прямолшшнш залежностi вiд !! об'емно! маси (Chauhan & Sethy, 2016).
1нформащя про aBTopiB:
Сопушинський 1ван Миколайович, д-р с.-г. наук, професор, кафедра боташки, деревинознавства та недеревних ресурав лку.
Email: [email protected] Мiлiтц Хольгер, професор, кафедра бюлогп деревини та деревинних продукпв. Email: [email protected] Максимчук Руслан Тарасович, астрант, кафедра боташки, деревинознавства та недеревних ресурав лку.
Email: [email protected] Володимир Бщтс, професор, кафедра бiологГí деревини та деревинних продуюмв. Email: [email protected] Цитування за ДСТУ: Сопушинський I. М., Мтггц Х., Максимчук Р. Т., БщЫс В. Динамiчний модуль пружностi хвилясто-
завилькувато' деревини Abies Alba Mill. Науковий вкник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 3. С. 52-56. Citation APA: Sopushynskyy, I. M., Militz, H., Maksymchuk, R. T., Biziks, V. (2018). Dynamic Modulus of Elasticity of Wave-Grained Wood of Abies Alba Mill. Scientific Bulletin of UNFU, 28(3), 52-56. https://doi.org/10.15421/40280311
Мета дослщження - вивчення динамiчного модуля пружносп прямоволокнисто! та хвилясто-завилькувато! деревини в межах радуса та висоти стовбура Abies alba Mill.
Матер1ал i методи дослiдження. Для дослвдження вiдiбрано 12 модельних дерев ялищ бшо! з прямоволок-нистою та хвилясто-завилькуватою деревиною в Ло-пушнянському лiсництвi ДП "Берегометське люомис-ливське господарство" (48°06'02.34" пн.ш. 25°13'02.46"
сх.д., 985 м н.р.м.). Взiрцi деревини розмiром 20^20x360 мм3 (±1 мм) вязано в напрямку вiд кори до серцевини та на висотах 1,3 та 7 метрiв. Динамiчний модуль пружносп визначено на прилащ Grindo Sonic кафедри бюлогп деревини та люово! продукцп Гет-тшгенського унiверситету iм. Георга Августа, м. Гет-тiнген, Нiмеччина в рамках £вропейсько! науково-тех-шчно! спiвпрацi "COST Action FP1407: ModWoodLife" (рис. 1).
Рис. 1. Прилад Grindo Sonic
В основу методики визначення динамiчного модуля пружносп закладено повздовжнi вiбрацii. Повздовжнiй динамiчний модуль пружностi розраховано за формулою £Ь=4Ь2/т2р/т2, де: Ь - довжина взiрця, м; р - щшь-
-3 г
нiсть деревини, кг-м ; /т - повздовжня резонансна частота коливань у деревиш, Гц; т - шльшсть перiодiв гармонiчних коливань. Абсолютна волопсть взiрцiв деревини в момент випробування становила 8 %. Для визначення середньоi швидкостi звуковоi хвилi було проведено три удари молотком (рис. 2).
Рис. 2. Схема розмщення взiрця деревини тд час випробування
13500 g % 12500
s
et
Г 3
- 11500 5 10500 | 9500 £ 8500 с 7500
13500
11500
Для аналiзу резонансних властивостей деревини визначено швидшсть звуку (С) та коефщент затухания (К). Взiрцi деревини вимiряно з точнiстю - 0,01 мм та масу зважено - 0,001 г (Vintoniv et al., 2007).
Результата дослiдження та Тх обговорення. Вщ-мiннiсть властивостей деревини в межах стовбура та мiж окремими деревами зумовлюе вивчення закономiр-ностей формування якiсних характеристик деревини як ашзотропного матерiалу. Глобальнi ктматичш змiни протягом тривалого часу впливають на рiст та розвиток бюлопчних видiв. Такi фенотипiчнi вiдмiни для дерев-них видiв добре вщображаються на межi природного ареалу. Структурш вiдхиления у деревинi, якi виявля-ються через змiну лiсорослинних умов, визначають фь зико-мехаиiчнi показники деревини, знання яких е важ-ливим тд час механiчного сортування деревини. Змiну величини динамiчного модуля пружносп в напрямку вiд кори до серцевини стовбура дерева та за його висо-тою наведено на рис. 3.
п 13000
s/ §
= 'Р
г о
? о
г S
2 г,
= с
г—Г с
11000 9000 7000 5000
2 3 4 5 6 7 Номер B iipiw деревини в напрямку в!д кори до серцевннн
ж
s =
er
's
се
9500
7500
!
• J
1 1
& 2 g 2
на висот1 стовбура 13000 11000 9000 7000 5000
1 2 3 4 5
Номер взгрця деревннн в напрямку ,3 м вщ корн до серцевини
с
1
2 3 4 5 6 7 Номер ü iipua деревини в напрямку вщ кори до серцевини а)
Рис. 3. Динамчний модуль пружносп прямоволокнисто! (а) та хвилясто-завилькувато! (б) деревини ялищ бшо!
8 12 3 4
Номер вз1рця деревини в напрямку вщ кори до серцевини
на висоп стовбура 7,0 м
Графiчнi даиi значень динамiчного модуля пружнос-тi прямоволокнисто! деревини свщчать про його плавне зменшення вiд периферп до серцевини стовбура, що не е характерним для хвилясто-завилькувато! структури. У межах радуса стовбура iз хвилясто-завилькуватою
структурою можна видшити два класи якостi деревини: перший - перифершна деревина з низькими показника-ми динамiчного модуля пружносп, тобто 40 % радуса стовбура; другий - 60 % радуса центрально! (ядрово!) деревини, показники яко! аналогiчнi. Для дiагностуван-
ня структурних в1дм1нностеи деревини важливим по-казником е коефщент затухання звукових коливань (рис. 4).
Як видно з рис. 2, вар1ащя значень коефщента затухання перифершно! зони деревини ялищ бшо! ютотно в1др1зняеться. Так, коефщент затухання вз1рщв дереви-
I 16
15
-
I
со h £
со
"5"
о о
14 13 12 11 10
16 15 14 13 12 11
ни 1з хвилясто-завилькуватою деревиною зм1нюеться вщ 6 до 10, а для прямоволокнисто! деревини - вщ 12 до 14. З огляду на це прикладного значення набувае встановлення залежност м1ж динам1чним модулем пружност та об'емною масою деревини (рис. 5).
14 12 10
t
i
•
23456781 2 3 4
Номер вз1рця деревини в напрямку Номер вз1рця деревннн в напрямку
вщ кори до серцевини на BHC0Xi стовбура 1,3 м вщ кори до серцевинп
»
2 3. 4 5 6 Номер вз1рця деревини в напрямку
вщ кори до серцевини
2 3 4
Номер вз1рця деревшп1 в напрямку на висот1 стовбура 7,0 м вщ кори до серцевини
б)
Рис. 4. Коефвдент затухання прямоволокнисто! (а) та хвилясто-завилькувато! (б) деревини ялищ бшо!
350 400
Щшьшсть деревини, кг-м"3
Рис. 5. Залежност м1ж динам1чним модулем пружност та щшьшстю прямоволокнисто! (а) та хвилясто-завилькувато! (б) деревини
Прямолшшш р1вняння залежност м1ж динам1чним модулем пружност та щшьшстю деревини е важливим шструментар1ем тд час в1дбору та сортування деревини за яюсними характеристиками. Результати досль дження прямоволокнисто! деревини св1дчать про збшь-шення модуля пружност 1з зростанням величини об'емно! маси, що описуеться р1внянням прямо! для вз1рщв деревини на висот зр1зу 1,3 м - y=31,05x-1405,27 (R2= 0,72) та 7,0 м - >=54,26х-10 709,90 (R2=0,69). Проте для хвилясто-завилькувато! деревини ялищ бшо! законом1ршсть мае протилежний характер, а
зокрема 1з збшьшенням !! щшьност зменшуеться дина-м1чний модуль пружностт Отже, в1дм1нтсть структурного впорядкування деревного волокна, а саме Иого хвилясто-завилькувате розмщення, зумовлюе зм1ну за-коном1рност1 м1ж ф1зпчними та мехашчнпми власти-востями деревини.
Вар1ащя показниюв ф1зико-мехашчнпх властивос-тей деревини з прямоволокнистою та хвилясто-завиль-куватою структурою та !х статистична характеристика мае прикладне значення для технолопчних процес1в !! оброблення (табл.).
Табл. Статистична характеристика показниюв фiзико-мехаmчноi' якосп деревини ялицi 6iroi
Висота зрiзу стовбура Показник N, шт. min Mm max V, % P, %
Прямоволокниста структура деревини
1,3 м El \Нмм-2] 45 7994 10923' 12995 11,8 1,8
К 45 10,8 13,3±0Д' 16,2 8,4 1,3
С \м-с-1] 45 4858 5239±А49 5524 3,3 0,5
08 % \кгхм°] 45 313 397±5,24 478 8,9 1,3
7,0 м El \Нмм-2] 44 5921 10134±2^14 12471 15,4 2,3
К 44 12,1 13,3±0,10 14,9 5,1 0,8
С \м с-1] 44 4352 5118±4j,'° 5558 5,7 0,9
р8% \кгхм°] 44 313 384«,°° 427 6,2 0,9
Хвилясто-завилькувата структура деревини
1,3 м El \Нмм2] 25 5053 8576^' 12393 26,8 5,4
К 25 5,1 8 9±0,58 15,1 32,5 6,5
С \м с-1] 25 2964 4196±1ыу9 5561 19,1 3,8
08 % \кгхм°] 25 367 491±12,46 580 12,7 2,5
7,0 м El \Нмм2] 25 5626 9071«73,34 11859 20,6 4,1
К 25 6,0 16,7 28,8 5,8
С \м с-1] 25 3259 4527±145,92 5632 16,1 3,2
р8% \кгхм°] 25 336 449±12,94 559 14,4 2,9
Примiтка: N - кшьюсть проведених вимрювань; min -мЫмальне значення; Mtm - середне арифметичне значення та його помилка; max - максимальне значення; V- коефщент варiацii; P - показник точностi.
Результати дослiдження прямоволокнистоi деревини свiдчать про те, що ii середнi значення динамiчного модуля пружносп, коефiцiента затухання та швидкосп звуку е бiльшими порiвняно з аналогiчними показника-ми для хвилясто-завилькувато1' деревини ялицi бiлоi. Динамiчний модуль пружностi прямоволокнисто1' деревини знаходиться в межах вщ 5921 до 12995 Н-мм-2, а хвилясто-завилькувато1' деревини - вiд 5053 до 12393 Н-мм-2. Так, середш значення динамiчного модуля пружностi прямоволокнисто1' деревини на висотi 1,3 м е на 21,5 % бшьшими вш аналогiчного показника для хвилясто-завилькувато1' деревини ялицi бiлоi. При чому щiльнiсть хвилясто-завилькувато1' деревини за во-логостi 8 % характеризуеться бшьшими середшми значениями порiвняно з об'емною масою прямоволокнис-toí деревини. Отримаш результати дослiджень дали змогу встановити ierorm вiдмiнностi мiж фiзико-меха-нiчними характеристиками прямоволокнисто1' та хви-лясто-завилькувато1' деревини ялицi бiлоi i визначити залежшсть мiж об'емною масою та динамiчним модулем пружносп.
Висновки. Результати дослвдження динамiчного модуля прямоволокнисто1' та хвилясто-завилькувато1' деревини ялищ бiлоi свiдчать про таке:
• структурне розмщення деревного волокна ялищ бшог виз-начае даапазон змши показникiв динамiчного модуля пруж-ностi, коефiцiента затухання та швидкост звуку;
• y Mexax CTOB6ypa gepeBa 6iitmHMH 3HaneHHaMH gHHaMiHHo-ro Mogyia: npyxHOCTÍ xapaKreproyeTtcfl nepui^epmHa gepeBH-Ha Ha BucoTi 3pi3y 1,3 m;
• 36intmeHHa Mogyia: npyxHocTi XBHJiflCTo-3aBHiLKyBaroL gepe-BHHH 3yM0BJieH0 3MeHmeHH3M o6'eMHoi Macu gepeBHHH mhií 6inoi Ta onucaHo piBHaHMM npaMoi (y=-27,88x+22 263,46; y=-20,53x+18 288,99; R2=0,51.. .0,57);
• gHHaMiHHHH Mogyjit npy^HocTi npaMOBOJOKHHCToi gepeBHHH 3MÍHKeTtca Big 5921 go 12995 H-mm-2, a XBHiacTo-3aBHntKy-BaToi gepeBHHH - Big 5053 go 12393 H-mm"2.
nepe^ÍK BHKopHCTaHHx g»epe.n
Baltunis, B. S., Wu, H. X., & Powell, M. B. (2007). Inheritance of density, microfibril angle, and modulus of elasticity in juvenile wood of Pinus radiata at two locations in Australia. Can. J. For. Res., 57(11), 2164-2174. https://doi.org/10.1139/X07-061 Barr, J., Tippner, J. J., Rademacher, P. (2015). Prediction of mechanical properties - Modulus of Rupture and Modulus of Elasticity - of five tropical species by nondestructive methods. Maderas-Cienc Tecnol, 17(2), 239-252.
https://doi.org/10.4067/S0718-221X2015005000023 Beaulieu, J., Zhang, S. Y., Yu, Q. B., & Rainville, A. (2006). Comparison between genetic and environmental influences on lumber bending properties in young white spruce. Wood and Fiber Science, 38, 553-564. Bucur, V. (2006). Acoustics of wood. 2nd ed. Springer, New York. 360 p. Chauhan, Sh., & Sethy, A. (2016). Bifferences in dynamic modulus of elasticity determined by three vibration methods and their relationship with static modulus of elasticity Maderas. Ciencia y tecnología, 18(2), 373-382.
https://doi.org/10.4067/S0718-221X2016005000034 Divós, F., & Tanaka, T. (2005). Relation Between Static and Dynamic Modulus of Elasticity of Wood. Acta Silv. Lign. Hung., 1, 105-110. Koubaa, A., Isabel, N., Zhang, S. Y., Beaulieu, J., Bousquet, J. (2005). Transition from juvenile to mature wood in black spruce (Picea mariana (Mill.). Wood and Fiber Science, 37(3), 445-455. Lachenbruch, B., Johnson, G. R., Downes, G. M., & Evans, R. (2010). Relationships of density, microfibril angle, and sound velocity with stiffness and strength in mature wood of Douglas-fir. Can. J. For. Res., 40, 55-64. https://doi.org/10.1139/X09-174 Machado, J. S., & Cruz, H. P. (2005). Within stem variation of maritime pine timber mechanical properties. Holz Als Roh-und Werkstoff 63, 154-159. https://doi.org/10.1007/s00107-004-0560-4 Mvolo, C. S., Koubaa, A., Beaulieu, J., Cloutier, A., Mazerolle, M. J. (2015). Variation in Wood Quality in White Spruce (Picea Glauca (Moench) Voss). Part I. Defining the Juvenile - Mature Wood Transition Based on Tracheid Length. Forests, 6, 183-202; https://doi.org/10.3390/f6010183 Vintoniv, I. S., Sopushynskyy, I. M., & Teischinger A. (2007). Wood
Science. Lviv: Apriori. [In Ukrainian]. Zhenbo, L., Yixing, L., Haipeng, Y., Junqi, Y. (2005). Measurement of the dynamic modulus of elasticity of wood panels. Translated from Scientia Silvae Sinicae, 41(6), 126-131 [^ 2005, 41(6), 126-131]. https://doi.org/10.1007/s 11461-006-0019-3
И. М. Сопушинский1, Х. Милитц2, Р. Т. Максымчук1, В. Бицикс2
1 Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина
2 Гёттингенский университет им. Георга Августа, г. Гёттинген, Германия
ДИНАМИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ПРОЧНОСТИ ВОЛНИСТО-СВИЛЕВАТОЙ ДРЕВЕСИНЫ ABIES ALBA MILL.
Исследованы различия динамического модуля упругости, коэффициента затухания и скорости звука волнисто-свилеватой древесины по сравнению с прямоволокнистой древесиной пихты белой. Изучена вариация физико-механических показателей в пределах радиуса и высоты ствола. В пределах радиуса ствола с волнисто-свилеватой структурой можно выделить два класса качества древесины, а именно: первый - это периферийная древесина (40 % радиуса ствола) и второй - центральная (ядровая) древесина. Структурное размещение древесного волокна, а именно волнисто-свилеватое, существенно определяет физико-механические характеристики и их вариацию. Коэффициент затухания древесины меняется от 6 до 10 для волнисто-свилеватой древесины и от 12 до 14 для прямоволокнистой древесины. Установлена прямолинейная зависимость первого порядка между динамическим модулем упругости и объемной массой древесины. Увеличение объемной массы прямо-
волокнистой древесины приводит к повышению модуля упругости и описывается уравнением прямой (R2=0,69.. .0,72). Прямолинейная зависимость между динамическим модулем упругости и плотностью волнисто-свилеватой древесины является инверсионной. Динамический модуль упругости прямоволокнистой древесины находится в пределах от 5921 до 12995 Н-мм-2, а волнисто-свилеватой древесины - от 5053 до 12393 Н-мм-2.
Ключевые слова: пихта белая; волнисто-свилеватая древесина; динамический модуль прочности; объемная масса; коэффициент затухания.
I. M. Sopushynskyy1, H. Militz2, R. T. Maksymchuk1, V. Biziks2
1 Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine 2 Georg-August-University Goettingen, Goettingen, Germany
DYNAMIC MODULUS OF ELASTICITY OF WAVE-GRAINED WOOD OF ABIES ALBA MILL.
To get deeper knowledge of wood quality as a practical stage of wood grading, which plays an engineering role in wooden construction and production of structural timber, dynamic module of elasticity of wave-grained wood was investigated. The main objective was focused on testing of Silver fir wood with straight-grained and wave-grained structures within stem radius and height. Altogether, 12 model trees were selected in the forest stand of Bukovyna Carpathians with geographical location of latitude of 48°06'02.34" N, longitude of 25°13'02.46" E and altitude of 985 m asl. Dynamic modulus of elasticity was defined on the Grindo Sonic device of the Department of Wood Biology and Wood Products of Georg-August-Universitat Gottingen, Germany within the framework of COST Action FP1407: ModWoodLife. The differences of dynamic modulus of elasticity, damping coefficient and sound velocity between wave-grained and straight-grained wood of Silver fir were estimated. The variation of studied parameters within stem radius and height was graphically analysed. In the stems with wavy-grained wood structure, two wood quality classes were proposed, namely: the first one involved peripheral wood (40 % of the stem radius) and the second one - the central (heart) wood. Wood damping varied from 6 to 10 for wavy-grained wood, and from 12 to 14 for straight-grained wood. The linear relationship between dynamic modulus of elasticity and wood density was estimated. Increasing of wood density caused an increase of the dynamic modulus of elasticity and was described by the linear equation of the first order (R2=0.69...0.72). The linear relationship between wood density and dynamic modulus of elasticity of wavy-grained wood was inversely proportional. The dynamic modulus of elasticity of straight-grained wood ranged from 5921 to 12995 Н-mm-2, and wavy-grained wood - 5053 to 12393 Н-mm"2.
Keywords: silver fir; wave-grained wood; dynamic module of elasticity; wood density; wood damping.
