The assessment of usability of various types of wood in construction

2015

3(43)

DOI: 10.5277/arc150309

Barbara Misztal*

Ocena przydatności różnych gatunków drewna do budowy konstrukcji

The assessment of usability of various types of wood in construction

Wprowadzenie

Trwałość konstrukcji drewnianych w prestiżowych obiek-

tach

uzależniona jest m.in. od racjonalnego wyboru i właś-

ciwości drewna zastosowanego do ich wykonania. Na ilu -

stra cji 1

przedstawiono drewnianą kopułę wybu do wa ną

w 1320 r. jako zadaszenie jednej z wież wido ko wych pa -

łacu Alhambra w Grenadzie. Kopuła ma wy sokość 1,90 m

i wymiary w rzucie: 3,55 × 3,55 m. Wykonano ją z drewna

cedrowego i topoli. Dzięki umiejętnościom jej twórców

kopuła przetrwała 700 lat i można ją podziwiać w pawi-

lonie Muzeum Sztuki Islamskiej w

Muzeum Pergamoń-

skim na Wyspie Muzeów w Berlinie.

Wybór drewna do budowy konstrukcji w obiektach

prestiżowych jest zadaniem trudnym. Metodą powszech-

nie obecnie stosowaną jest metoda selekcji drewna pole-

gająca na oględzinach elementów z drewna potrzebnego

do budowy. Obiektywnych kryteriów wyboru dotychczas

nie opracowano. W pracy [2] zwrócono uwagę na możli-

wość selekcji drewna do budowy konstrukcji na podsta-

wie badań dynamicznych.

Celem artykułu jest pokazanie, jak na podstawie badań

dynamicznych oszacować właściwości modeli z różnych

gatunków drewna oraz określić ich przydatność do budo-

wy trwałych konstrukcji. Jako kryterium przyjęto zmiany

sztywności i modułu sprężystości tych modeli na skutek

zawilgocenia. Opisano badania drgań swobodnych mo -

deli z następujących gatunków drewna: sosny, świerku,

mo drzewia i dębu po 24-godzinnym moczeniu w wodzie.

Introduction

The durability of wood constructions in prestigious

stru ctures depends, e.g. on the rational selection of ele-

ments and properties of wood used for their construction.

Figure 1 shows the wood dome built in 1320 as the roof

of one of the viewing towers in the Alhambra palace in

Grenada. The height of the dome is 1.90 m and its dimen-

sions are 3.55 × 3.55 m. It was made of cedar and poplar

wood. Due to the skills of its builders the 700 years old

original dome is on display and can be admired in the Is -

lamic Art Museum in the Pergamon Museum on the Mu -

seum Island in Berlin.

The selection of wood for construction of prestigious

structures is a difficult task. The universally applied wood

selection method involves the inspection of elements made

of wood needed for the construction. The objective se -

lection criteria have not been determined yet. It is noted

[2] that there is a possibility of selection of wood for the

construction of structures on the basis of dynamic tests.

The objective of the paper is to demonstrate how to

estimate the properties of models built of different types

of wood on the basis of dynamic tests and how to assess

their usability for construction of durable structures. The

changes in the stiffness and the elasticity of these models

as a result of moisture have been assumed as the criterion

for the selection. This paper describes the tests of free

vibrations in the models made of the following types of

wood: pine, spruce, larch and oak after submergence in

water for 24 hours. It demonstrates which model is the

least susceptible to degradation caused by moisture. The

most moisture resistant types of wood are recommended

for use in the construction.

* Wydział Architektury Politechniki Wrocławskiej/Faculty of

Architecture, Wrocław University of Technology.

106 Barbara Misztal

Pokazano, który z modeli ulega najmniejszej degradacji

spowodowanej wilgocią. Gatunki drewna najbardziej od -

porne na wpływ wilgoci rekomenduje się do stosowania

w konstrukcji.

Metody badań

Do badań przygotowano modele z desek o przekroju

10 × 40 mm, długości 1200 mm po 24-godzinnym mocze-

niu w wodzie. W ruch drgający wprowadzano modele

ob ciążone wspornikowo jak na ilustracji 2.

Przed doświadczeniem deski zważono w stanie po -

wietrznosuchym. Po badaniach dynamicznych desek su -

chych moczono je w wodzie przez 24 godziny. Po tym

czasie deski ważono ponownie, obliczając ich wilgotność

wagową. Obciążenie wymuszające przykładano na końcu

wspornika prostopadle do płaszczyzny mniejszej sztyw-

ności belki. W celu ograniczenia wpływu drgań drugiego

rzędu umieszczono masę skupioną m = 250,0 g na końcu

wspornika.

Badano częstość n i tłumienie ρ drgań swobodnych

wymuszonych impulsem za pośrednictwem obciążenia

P = 250,0 g zawieszonego na końcu wspornika. Drgania

wzbudzano poprzez przecięcie zawiesia utrzymującego

ob ciążenie. Przeprowadzono badania wpływu zawilgoce-

nia belek drewnianych na częstość n i tłumienie ρ drgań

swo bodnych. Parametry ruchu drgającego T, ρ, ω,

∆

, po -

kazane w tabelach: 1–4, wyznaczono na podstawie nu -

merycznych wyników pomiarów za pomocą arkuszy kal-

kulacyjnych EXCEL.

Wyniki

W tabeli 1 przedstawiono wyniki badań modelu z des-

ki sosnowej po 24-godzinnym moczeniu w wodzie. Na

wykresie (il. 3) pokazano przebieg drgań w czasie pierw-

szych 10 s badania. W tabelach (2–4) i na wykresach

przedstawiono wyniki badań i drgania dla modeli z desek:

świerkowej (tab. 2, il. 4), modrzewiowej (tab. 3, il. 5)

i dę bo wej (tab. 4, il. 6), badanych po 24-godzinnym mo -

cze niu w wodzie.

Research methods

The tests were conducted on models made of dry wood

beams, 10 × 40 mm in cross section and 1200 mm long,

after being submerged in water for 24 hours. The vibra-

tions were induced to the cantilever beams ﬁ xed as shown

in Figure 2.

The boards were weighed before the tests in dry air.

After the dynamic tests of the dry boards, they were sub-

merged in water for 24 hours. After that period, the boards

were weighed again, calculating their weight moisture.

The load was applied at the end of the beam perpendicu-

larly to the plane of lower stiffness of the beam. A concen-

trated mass of m = 250.0 g was placed at the end of the

beam to limit the inﬂ uence of secondary vibrations.

The test included the measurement of frequency n and

absorption ρ of free vibrations induced by impulse from

load P = 250.0 g suspended at the end of the beam. The

vibrations were induced by cutting the suspension of the

load. The influence of moisture of wood beams on fre-

quency n and absorption ρ of free vibrations was tested.

The parameters of the vibratory movement T, ρ, ω,

∆

shown in Tables: 1–4, were calculated on the basis of

Il. 1. Kopuła jednej z wież widokowych pałacu Alhambra w Grenadzie:

a) widok wnętrza zadaszonego kopułą [1], b) podniebienie kopuły (fot. B. Misztal), c) detale w zbliżeniu (fot. B. Misztal)

Fig. 1. The dome of one of the viewing towers in the Alhambra palace in Grenada:

a) view of the interior with a dome roof [1], b) interior of the dome (photo by B. Misztal), c) closer view of details (photo by B. Misztal)

Il. 2. Model badawczy testowanych belek

Fig. 2. Model of beams being tested

a) Schemat belki do badań dynamicznych / Schematic diagram of

a beam for dynamic testing

b) przekrój

/ section

strefa sztywnego

zamocowania belki

area of rigid beam

fixing

785

P = 250,0 g

M = 250,0 g

400

800

1200

tensometr

elektrooporowy

czujnik

indukcyjny

inductive sensor

electroresistant

extensometer

320

a c

Ocena przydatności różnych gatunków drewna /

The assessment of usability of various types of wood

107

numerical results of the measurements with the use of

Excel spread sheets.

Results

Table 1 presents the test results of the model made of

pinewood boards after submergence in water for 24

hours. The graph in Fig. 3 shows the course of vibrations

over the first 10 s of the test. Tables (2–4) and the graphs

1/T

∆

[s] [s] [mm] [1/s] [1/s] [°] [°]

0,197 0,506 15,57 0,241 5,076 31,8 3,21 0,047

Tabela 1. Parametry ruchu drgającego modelu z sosny

o wilgotności 56,62% (il. 3)

Table 1. The parameters of the vibratory movement

of the model made of pinewood with moisture of 56.62% (Fig. 3)

Legenda do tabel 1–4 / Legend to Tables 1–4:

– okres drgań/period of vibrations, t

– czas początkowy/initial

time, y

– maksymalne wychylenie/maximum deflection,

– tłumienie drgań/damping of vibrations, n

– częstość drgań modelu

vibration frequency of the model, ω

– prędkość kołowa drgań

tłumionych/circular speed of damped vibration,

– przesunięcie fazowe/phase displacement,

∆

– logarytmiczny

dekrement tłumienia/logarithmic damping dekrement.

Indeks m oznacza stan mokry modelu/Index m means wet model of wood.

1/T

∆

[s] [s] [mm] [1/s] [1/s] [1/s] [°]

0,187 0,4667 14,85 0,26 5,348 33,6 –3,51436 0,048

Tabela 2. Parametry ruchu drgającego modelu ze świerku

o wilgotności 34,92% (il. 4)

Table 2. The parameters of the vibratory movement

of the model made of spruce with moisture of 34.92% (Fig. 4)

1/T

∆

[s] [s] [mm] [1/s] [1/s] [1/s] [°]

0,22 0,4533 21,16 0,256 4,54 28,56 9,524647 0,056

Tabela 3. Parametry ruchu drgającego modelu z modrzewia

o wilgotności 25,93% (il. 5)

Table 3. The parameters of the vibratory movement

of the model made of larch with moisture of 25.93% (Fig. 5)

Il. 6. Zapis ruchu drgającego modelu z dębu

o wilgotności 23,00% w czasie pierwszych 10 s badań

Fig. 6. The vibratory movement of the model made of oak

with moisture of 23.00% over the first 10 s of the test

1/T

∆

[s] [s] [mm] [1/s] [1/s] [1/s] [°]

0,267 0,6 30,118 0,236 3,745 23,53 15,876 0,063

Tabela 4. Parametry ruchu drgającego modelu z dębu

o wilgotności 23,00% (il. 6)

Table 4. The parameters of the vibratory movement

of the model made of oak with moisture of 23.00% (Fig. 6)

wychylenie [mm] /

deflection

-5

czas [s]

time [s]

okres drgań

vibrations’ period

wychylenie

deflection

maxima

wychylenie [mm] /

deflection

-5

-10

-15

-20

czas [s]

time [s]

okres drgań

vibrations’ period

wychylenie

deflection

maxima

Il. 4. Zapis ruchu drgającego modelu ze świerku

o wilgotności 34,92% w czasie pierwszych 10 s badań

Fig. 4. The vibratory movement of the model made of spruce

with moisture of 34.92% over the first 10 s of the test

Il. 3. Zapis ruchu drgającego modelu z sosny

o wilgotności 56,62% w czasie pierwszych 10 s badań

Fig. 3. The vibratory movement of the model made of pinewood

with moisture of 56.62% over the first 10 s of the test

wychylenie [mm] /

deflection

-5

-15

-20

czas [s]

time [s]

okres drgań

vibrations’ period

wychylenie

deflection

maxima

Il. 5. Zapis ruchu drgającego modelu z modrzewia

o wilgotności 25,93% w czasie pierwszych 10 s badań

Fig. 5. The vibratory movement of the model made of larch

with moisture of 25.93% over the first 10 s of the test

wychylenie [mm] /

deflection

-5

-10

-15

-20

-25

czas [s]

time [s]

wychylenie

deflection

maxima

okres drgań

vibrations’ period

108 Barbara Misztal

Analiza wyników badań dynamicznych

We wszystkich przypadkach tłumione drgania swo-

bodne, niezależnie od gatunku drewna, dobrze opisywała

funkcja (1) według [3]:

= y

–ρt

cos(√α

– ρ

t + φ), (1)

gdzie:

α – częstość drgań własnych,

ρ – wymiarowe tłumienie drgań,

φ – przesunięcie fazowe.

Prędkość kołowa drgań tłumionych:

ω = √α

– ρ

(2)

Prędkość kołową drgań swobodnych ω [°] i tłumienie

ρ [1/s] wykorzystano do obliczenia sztywności rzeczywi-

stej i modułu sprężystości podłużnej badanych belek.

Wyniki zestawiono w tabelach: 5 i 6.

W pracy [3] podano związki między sztywnością K,

masą m, prędkością drgań ω i tłumieniem ρ. Pomijając

lepkość η, można oszacować lokalną sztywność efektyw-

ną K

pręta z wzoru:

= m

(3)

Zastępczą masę skupioną m

obliczono z wzoru (4)

według [4]:

= 0,243ql + 250, (4)

gdzie: q – pomierzony ciężar na 1 mb wspornika.

Z porównania przemieszczeń y = Pl

/3E

J i y = P/K

otrzymano równanie (5):

(5)

Moduł sprężystości podłużnej E otrzymano z równa -

nia (6):

(6)

Wnioski

Procedurę wyboru najlepszego gatunku drewna do

budowy konstrukcji na podstawie stosowanych do tej

pory oględzin lub badań długotrwałych warto uzupełnić

o obiektywne parametry uzyskane na podstawie badań

drgań swobodnych elementów z drewna.

Z przeprowadzonej analizy drgań swobodnych modeli

drewnianych wynika, że gatunki o większej przydatności do

konstrukcji wykazywały w badaniach dynamicznych mniej-

sze okresy drgań, wyższe częstości, mniejsze tłumienie

wy miarowe i mniejszy logarytmiczny dekrement tłumienia.

Jako kryterium przydatności drewna do długotrwałej

pracy w konstrukcji można przyjąć spadek wartości mo -

dułu sprężystości na skutek zawilgocenia. W opisanych

badaniach najmniejszy spadek wartości modułu E wyka-

zuje drewno sosny.

Na podstawie pomiarów drgań swobodnych można ja -

kościowo uszeregować gatunki drewna badanych modeli

do długotrwałego zastosowania w konstrukcji według przy-

datności: sosna, modrzew, dąb, świerk.

show the test results and vibrations for the models made

of spruce, larch, and oak boards tested after being sub-

merged in water for 24 hours.

Analysis of dynamic tests

In all cases the absorbed free vibrations, regardless of

the variety of wood, were well described by the following

function (1) according to [3]:

= y

–ρt

cos(√α

– ρ

t + φ), (1)

where:

α – own vibration frequency,

ρ – dimensional vibration damping

φ – phase displacement.

Circular speed of absorbed vibrations:

ω = √α

– ρ

(2)

The circular speed of free vibrations

[°] and the dam-

ping ρ [1/s] were used to calculate the actual stiffness and

the modulus of direct elasticity of the beams under test-

ing. The results are listed in Tables 5 and 6.

[3] presents the relationship between stiffness K, mass

m, speed of vibrations ω, and absorption ρ. If viscosity η

is ignored, the local effective stiffness K

of the rod can

be calculated with the following formula:

= m

(3)

The equivalent concentrated mass m

was calculated

from formula (4) according to [4]:

= 0.243ql + 250, (4)

where: q – measured weight per 1 linear meter of beam

The comparison of movements y = Pl

/3E

J and y =

P/K

gave the following equation (5):

(5)

The longitudinal elasticity modulus E was calculated

from equation (6):

(6)

Conclusions

The procedure of the selection of the best type of wood

for construction on the basis of the inspections or long-

lasting tests applied so far should be extended to include

the objective parameters established on the basis of the

tests of free vibrations of the elements made of wood.

The analysis of free vibrations conducted on the mo -

dels made of wood indicates that the types of wood with

a greater usability for construction demonstrated in the

dynamic tests smaller periods of vibrations, higher fre-

quencies, smaller dimension absorption and smaller loga-

rithmic decrement of absorption.

The reduction in the value of the elasticity modulus as

a result of moisture could be assumed as the criterion of

usability of wood for long-term application in construc-

tion. The smallest reduction in the value of modulus E in

the described tests was demonstrated by pinewood.

J K

Ocena przydatności różnych gatunków drewna /

The assessment of usability of various types of wood

109

Parametry dynamiczne modeli w stanie powietrznosuchym badanych według il. 2

Dynamic parameters of dry models tested according to Fig. 2

= m

modeli w stanie

powietrzno-

suchym

of dry models

wg normy

per standard

materiał

material

masa

modelu

model

weight

masa rów.

rozłożona

uniformly

distributed

weight

drgania

własne

free vibrations

= ρ

+ ω

[g] [g/s

] [GPa] [GPa]

[g] [g/m] [1/s] [1/s] [1/s

]

12345 6 78 9 10

Sosna

Pine wood

260,70 178,15

0,14 33,80

285,498 326170,1 17,98

11÷14

0,0196 1142,44 1142,46

Świerk

Spruce wood

224,58 153,46

0,1724 36,3168

280,578 370065,5 20,40

0,0297 1318,91 1318,94

Modrzew

Larch wood

267,60 182,86

0,1485 30,01375

286,437 258035,6 14,23

0,0220 900,825 900,847

Dąb

Oak wood

314,42 214,85

0,1673 24,835

292,811 180607,3 9,96

brak danych

w normie

no data

within norm

0,028 616,777 616,805

Parametry dynamiczne modeli mokrych badanych według il. 2

The dynamic parameters of wet models tested per Fig. 2

= m

wilgotność

moisture

modeli mo krych

of wet mo dels

Zmniejszenie E

Decrease E

materiał

material

masa

modelu

model

weight

masa rów.

rozłożona

uniformly

distributed

weight

+ ω

[g] [g/s

] [%] [GPa] [%]

[g] [g/m] [1/s] [1/s] [1/s

]

123456789 10 11

Sosna

Pine wood

408,30 279,00

0,2411 31,811

305,594 309260,05 56,6 17,05 5,0

0,0581 1011,94 1011,998

Świerk

Spruce wood

308,52 210,82

0,2636 33,6

292,008 329685,65 34,9 18,18 10,9

0,0695 1128,96 1129,0295

Modrzew

Larch wood

337,00 230,28

0,2562 28,5664

295,886 241474,01 25,9 13,31 6,5

0,06565 816,04 816,106

Dąb

Oak wood

386,70 264,23

0,236 23,5325

302,650 167618,73 23,0 9,24 7,2

0,0557 553,78 553,836

Tabela 5. Porównawcze zestawienie sztywności i modułów sprężystości podłużnej E

modeli badanych w stanie powietrznosuchym z pracy [5]

Table 5. The comparison of stiffness and longitudinal elasticity modulus E

of dry tested models [5]

Tabela 6. Porównawcze zestawienie sztywności i modułów sprężystości podłużnej E

modeli badanych po 24-godzinnym moczeniu w wodzie

Table 6. The comparison of stiffness and longitudinal elasticity modulus E

of the models tested after being submerged in water for 24 hours

Krótkie testy dynamiczne warto polecić do selekcji

drewna potrzebnego do budowy konstrukcji, a także do

krywania elementów zawilgoconych lub uszkodzo-

nych w już wybudowanych obiektach.

On the basis of the measurements of free vibrations,

the types of wood used in the tested models can be quali-

tatively ranked for long-term application in construction

according to their usability: pine, larch, oak, spruce.

The short dynamic tests are worth recommending for the

se lection of wood needed for the construction and also for

de tecting wet or damaged elements in already built structures.

Translated by

Tadeusz Szałamacha

110 Barbara Misztal

Bibliografia /References

[1] Brisch K., Kuppeldach aus dem Aussichtsturm des Torre de las

Damas (Damenturm), Foto: Bundesarchiv, Staatliche Museen zu

Berlin.

[2] Misztal B., Kształtowanie kopuł z drewna jednolitego, Oficyna Wy -

dawnicza PWr, Wrocław 2012.

[3] Kowal Z., Dynamika nieważkiej belki na podporach lepkospręży-

stych, „Archiwum Inżynierii Lądowej” 1966, Nr 1(12), 29–42.

[4] Banasiak M. (red.), Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości ma -

teriałów, PWN, Warszawa 1985.

[5] Misztal B., Oszacowanie efektywnej sztywności i modułu sprężysto-

ści różnych gatunków drewna na podstawie pomiarów drgań swo-

bodnych, „Architectus” 2014, Nr 1(37), 81–87.

Streszczenie

W artykule opisano badania dynamiczne modeli z drewna sosnowego, świerkowego, modrzewiowego i dębowego. Przeprowadzono je w celu

poznania właściwości modeli z różnych gatunków drewna na podstawie danych uzyskanych z badań drgań swobodnych elementów. Zbadano

modele powietrznosuche i po 24-godzinnym moczeniu w wodzie. Przebieg drgań każdego z modeli zilustrowano na wykresie. Pokazano metodę

szacowania efektywnej sztywności i modułu sprężystości podłużnej E różnych gatunków drewna. Celem badań było określenie, jak zmienia się

efektywny moduł sprężystości drewna na skutek zawilgocenia.

Słowa kluczowe: moduł sprężystości podłużnej, drgania swobodne, tłumienie drgań swobodnych

Abstract

The paper describes the dynamic testing of models made of pine, spruce, larch and oak wood. The testing was conducted in order to learn the

properties of planks on the basis of data obtained from the testing of free elements’ vibration. Planks dried in air and after a 24 hours’ soaking in

water were tested. The course of the vibration of each of the models was illustrated on a graph. The calculations of the determination of elements’

stiffness, and of the modulus of direct elasticity E for various wood species were shown. The aim of the testing was to determine how the modulus

of elasticity varies due to wetting.

Key words: modulus of longitudinal elasticity, free vibration, damping of free vibration

The assessment of usability of various types of wood in construction

Barbara Misztal

doi:10.5277/arc150309

Abstract