Koksnes uzbūve

Koksnei ir šķiedraina uzbūve, tāpēc jāņem vērā fakts, ka visas koksnes īpašības ir atkarīgas no šķiedru virziena. Šķiedras būtībā ir cauruļveida atmirušas šūnas (traheīdas). Priedes kokam traheīdas aizņem 95% no kopējā tilpuma. Augošam kokam ir trīs galvenās daļas: sakņu sistēma, stumbrs un vainags. Galvenā koksnes daļa ir tās stumbrs, no kura iegūst 60-90% koksnes. Koka stumbrs sastāv no mizas, kambrija, koksnes un serdes.

Stumbrs balsta vainagu un pa koksnes šūnām vada augšup ūdeni un pa mizas un kambrija šūnām lejup barības vielas, kas sintezējušās lapās. Šīs barības vielas pakāpeniski nogulsnējas un uzkrājas koksnes ārējā daļā, veidojot kārtējo gadskārtu. Tātad gadskārta ir koksnes slānis, kas pieaudzis vienā veģetācijas periodā jeb augšanas gadā. Veģetācijas perioda pirmajā pusē augušās šūnas (pavasara pieaugumu) sauc par agrīno koksni, bet perioda otrajā pusē augušās šūnas (rudens pieaugumu) – par vēlīno koksni. Agrīnā koksne ir gaišāka, irdenāka, neizturīgāka (50MPa stiepē), vēlīnā koksne – blīvāka, tumšāka un izturīgāka (140MPa stiepē) koksnes daļa. Tātad jo lielāku gadskārtas daļu aizņem vēlīnā koksne, jo izturīgāks ir būvmateriāls.

Vēlīnās koksnes daudzums konstrukciju elementos lietojamiem skuju koku materiāliem ieteicams ne mazāks par 20%, bet gadskārtas platums stumbra šķērsgriezumā – ne lielāks par5mm. Mizas uzbūve ievērojami atšķiras no pārējās koksnes uzbūves. Miza pilda koksnes aizsardzības funkciju. Tā pasargā kambriju no ārējās vides negatīvās ietekmes. Kambrijs ir ar aci grūti saskatāms gredzens starp koksni un mizu. Tā ir vienīgā īsti dzīvā koka daļa, kas sastāv no dzīvām šūnām un daloties veido uz iekšpusi koksnes un uz ārpusi mizas šūnas. Lūksne ir stumbra galvenā sastāvdaļa, pa kuru notiek ūdens pārvade no saknēm uz vainagu. Tā veido aptuveni 95% no kopējās stumbra masas. Lūksnei piemīt ievērojama stiprība, kas nodrošina vainaga noturēšanu uz stumbra spēju pretoties vējam. Tieši šī iemesla dēļ koksne ir izmantojama būvniecībā.

Kodols ir tumšākā koksnes daļa, kas sastāv no atmirušām šūnām, kuras piesūcinātas ar sveķiem un miecvielām. Šai koksnes sastāvdaļai ir mazāks mitrums, lielāka izturība pret trupi, lielāka stiprība un cietība. Serde atrodas stumbra vidū un to veido atmirušas plānsienu šūnas, kuras veidojušās koka pirmajā gadā. Tai ir maza stiprība un tā viegli trupē. Koksnes mikrostruktūra ir vairākumā gadījumu līdzīga, pastāv atšķirība starp šūnu daudzveidību lapkokiem un skujkokiem, skujkokiem to daudzveidība ir mazāka.

Koksnes galvenās īpašības ir atkarīgas no traheīdām, to uzbūve ir daļēji izpētīta. Šūnas sieniņa sastāv notrīs kārtām, proti, no ārējās iekšējās un vidējās. Vidējais slānis ir visbiezākais, tā šķiedru virziens ir paralēls šūnas garenvirzienam, proti, arī koka garenvirzienam, šis slānis nosaka šūnas stiprības rādītājus. Vidējo slāni ietves ārējais un iekšējais slānis, kas vērsi leņķī pret vidējo slāni. Šie slāņi nodrošina vidējā slāņa darbību, proti, tie neļauj šķiedrām izkļauties slodzes iedarbībā, rada blīvāku slāni un uzņem slodzi, kas pielikta leņķī. Traheīdas savā starpā savieno nelieli membrānas veida elementi. Šīs membrānas nodrošina vielu kustību caur šūnām gan vertikālā, gan horizontālā virzienā. To uzbūve ir vienkārša, proti, tas ir atvērums, kas savieno šūnas, tā centrā atrodas apaļš, plakanisks elements, kas nodrošina šķidruma kustības pārtraukšanu. Pie žāvēšanas membrāna zaudē šķidrumu, kas regulē tās darbību, tā aizveras.

Molekulārā līmenī koksne sastāv no celulozes, hemicelulozes un lignīna, kā arī neliela daļa citu savienojumu un minerālu. Lielāko daļu sastāda celuloze, kas arī nosaka pamata stiprības īpašības, tiek uzskatīts, ka celulozes šķiedras kopā satur masa no lignīna un hemicelulozes. Celulozes šķiedras tiek sakopotas kūļos, kas tiek apvienoti lielākos kūļos. Šiešķiedru kūļi veido šūnas sieniņu slāņus.

Koksnes fizikālās īpašības

Būvniecībā nozīmīgākās koksnes fizikālās īpašības ir mitrums, ūdens uzsūce, higroskopiskums, rukums, briešana, siltumvadītspēja un blīvums. Ūdens saturs ir svarīgākais un būtiskākais faktors, kas ietekmē koksnes fizikālās un mehāniskās īpašības. Mainoties mitrumam, mainās arī koksnes īpašības, it sevišķi stiprība, izmēri, tilpums un tilpumsvars. Šīs koksnes īpašību izmaiņas parasti notiek noteiktā mitruma diapazonā, kuru raksturo higroskopiskais (saistītais) mitrums, kurš nekad nepārsniedz 30%. Bez higroskopiskā ūdens ir arī brīvais (kapilārais) ūdens, kas aizpilda šūnu un kanālu dobumus un starpšūnu telpu.

Pieaugot koksnes mitrumam, samazinās tās stiprība un stingums. Mitruma ietekme uz stiprību ir ievērojami liela spiedē, liecē, skaldē un virsmas spiedē – šajos spriegumstāvokļos, palielinoties koksnes mitrumam, tās stiprība samazinās līdz 30% no maksimālās vērtības. Rūpīgi žāvētas koksnes stiprība ir aptuveni 2-3 reizes stiprāka par līdzvērtīgas ar ūdeni piesātinātas koksnes stiprību un par 50-70% stiprāka par gaissausas koksnes stiprību.

Koksnes izmēru maiņas, kas novērojamas, koksnei samitrinoties un izžūstot ir cieši saistītas ar koksnes šķiedru mitruma maiņu. Sausu koksni samitrinot aptuveni robežās līdz 30% t.i. līdz šķiedru piesātināšanas punktam, šūnu sieniņas uzbriest, tādējādi palielinoties tilpumā. Koksnei izžūstot notiek pretējais process – rukums. Koksnes rukums celtniecībā ir ļoti nepatīkama parādība, jo koka konstrukciju elementu savienojumu vietās, grīdās, durvīs un citur rodas spraugas un savienojumi zaudē savu blīvumu. Briešanas gadījumā var tikt traucēta normāla konstrukciju ekspluatācija. Tādēļ ideālais variants ir, ja koksnei būvniecības brīdī ir tāds pats mitrums, kāds tai paredzēts ekspluatācijas laikā. Tādēļ pirms iebūvēšanas ir ieteicams koka izstrādājumu pirms iebūvēšanas līdzsvarot telpā, kurā tas atradīsies. Sakarā ar neviendabīgumu un uzbūves īpatnībām koksne dažādos virzienos rūk un briest dažādi. Šķiedru garumā pilnais lineārais rukums ir samērā neliels – 0,1% (1mm uz 1m), radiālā virzienā tas ir 3-6% (6-12cm uz 1m).

Koksnes siltumvadītspēja ir atkarīga no mitruma, temperatūras, šķiedru virziena, koka sugas un blīvuma. Siltums koksnē izplatās šķiedru virzienā, proti, garenvirzienā, siltuma izplatība perpendikulāri šķiedrām ir relatīvi lēna, šī īpašība ļauj izmantot koksnes izstrādājumus norobežojošām konstrukcijām, tā pat tā ietekmē koksnes degšanu. Koksnes termiskās izplešanās koeficients ir niecīgs un koksnes termisko izplešanos var neņemt vērā projektējot būvkonstrukcijas. Koka blīvums ir tieši atkarīgs no šķirnes, reģiona un augšanas apstākļiem, piemēram, balsas blīvums svārstās ap 200 kg/m³, kamēr dažām sarkankoka šķirnēm tas var sasniegt 1000līdz 1300 kg/m³. Vidējais koka blīvums gaissausā stāvoklī ir 500 līdz 550 kg/m³. Masīvas koksnes īpašības ir atkarīgas no blīvuma. Šūnu sieniņas blīvums visām šķirnēm ir tuvs, tomēr koksnes blīvumu ietekmē sieniņas biezums un šūnu izmēriem.

Koksnes mehāniskās īpašības

Koksnes stiprību raksturo tās spēja pretoties ārējām mehāniskām iedarbībām. Sakarā ar koksnes uzbūves neviendabīgumu, materiāla stiprība nav vienāda dažādos virzienos. Tāpat koksnes stiprība ir atkarīga no struktūras defektiem, mitruma pakāpes un koka sugas. Izšķir spiedes stiprību šķiedru virzienā un perpendikulāri šķiedrām. Koksnes spiedes stiprība šķiedru virzienā ir 5-10 reizes lielāka, nekā perpendikulāri šķiedrām. Robežstiprība stiepē šajos virzienos atšķiras 12-17 reižu un elastības modulis šķiedru virzienā ir aptuveni 20reižu lielāks. Koksnei izšķir vēl arī tādas īpašības kā stingums, elastība un cietība.

Jau slogojot ar nelielām statiskām slodzēm, koksnē rodas paliekošas deformācijas, tādēļ nav iespējams konstatēt elastības robežu. To pieņem nosacīti. Koksnes darbību galvenajos spriegumstāvokļos – stiepē, liecē, spiedē, skaldē šķiedru virzienā un virsmas spiedē šķiedru šķērsvirzienā uzskatāmi raksturo spriegumu-deformāciju diagrammas.

Koksne stiepē darbojas kā trausls materiāls – deformācijas pieaug proporcionāli spriegumiem līdz sabrukšanai. Maksimālās deformācijas var sasniegt 0,8% no elementa sākotnējā garuma. Sabrukšana notiek pakāpeniski: sākumā plīst vairāk piepūlētās šķiedras, tad spriegumi sadalās pa pārējām šķiedrām un izraisa tajās pārslodzi. Priedes un egles koksnei ar mitrumu 12% un blīvumu 500kg/m³, robežstiprība stiepē ir 100Mpa un elastības modulis 11..14 Gpa. Lieces gadījumā koksnes elastīgi plastiskās deformācijas parādās vispirms spiestajā zonā, kad slodze pārsniedz proporcionalitātes robežu. Priedes un egles koksnei ar mitrumu 12% un blīvumu 500kg/m³, robežstiprība liecē ir 75Mpa un elastības modulis 10Gpa. Pirms sabrukšanas, kad slodze tuvojas graujošajai vērtībai, koksnes spiestajā zonā parādās tecēšanas deformācijas. Malējās spiestās šķiedras zaudē stabilitāti un deformējas, veidojot raksturīgu kroku.

Koksnes robežstiprība virsmas spiedē ir atkarīga no šķiedru virziena (paralēli šķiedrām tā ir 40MPa, bet šķiedru šķērsvirzienā tā ir aptuveni 12 reižu mazāka. Virsmas spiedes robežstāvokli raksturo izteikta plastisko deformāciju attīstība (sabrukšana nenotiek). Priedes un egles koksnei ar mitrumu 12% un blīvumu 500kg/m³, robežstiprība skaldē šķiedru virzienā ir 6..7Mpa un bīdes modulis 550MPa. Spiedē koksne darbojas kā plastisks materiāls, nav tiešas proporcionalitātes starp spriegumiem un relatīvajā deformācijām.

Priedes un egles koksnei ar mitrumu 12% un blīvumu 500kg/m³, robežstiprība spiedē ir 40Mpa un elastības modulis 10Gpa. Pirms sabrukšanas deformācijas sasniedz 0,6..0,7% no parauga sākotnējā garuma un spriegumi vienmērīgi sadalās starp šķiedrām koksnes plastiskuma dēļ. Spiestie elementi nav tik jūtīgi pret koksnes vainām. Tādas atšķirības koksnes darbībā tiek pētītas un pilna modeļa vēl nav. Viens no veidiem, kā pētīt un definēt koksnes darbību, ir reoloģija, šobrīd pastāv vairāki modeļi, kas daļēji raksturo koksnes uzvedību. Kokam augot, kokmateriālus apstrādājot un uzglabājot, kā arī būvkonstrukcijas ekspluatējot, var rasties novirzes no koksnes normālas uzbūves, bojājumi un slimības (mikroorganismu, sēnīšu bojājumi) – dažādas koksnes vainas. Tās parasti pazemina kokmateriālu mehāniskās īpašības un izskatu, tāpēc, nosakot koksnes šķiru, ir obligāti jāņem vērā koksnei piemītošās vainas.

Galvenās vainas ir zari (pazemina koksnes stiprību un kvalitāti, apgrūtina apstrādi), greizšķiedrainums (spirālveidīgs koksnes šķiedru sakārtojums, kas samazina koksnes stiprību, īpaši stiepē) un plaisas. Plaisu rašanos izraisa koksnes ātra un nevienmērīga žūšana, sasalšana un vēja iedarbība augšanas laikā. Plaisu rašanās iemesli ir dažādi. Plaisas var rasties koka augšanas laikā, visbiežāk tās ir sala plaisas, kad zemu temperatūru iespaidā koksne rūk un veidojas radiālas plaisas, kas redzamas uz koka virsmas. Tā pat plaisas var rasties baļķa transportēšanas laikā. Nepareiza žāvēšana ir visbiežākais plaisāšanas iemesls, pārāk ātra žāvēšana var izraisīt kā mikroplaisas tā arī lielas plaisas, kas vizuāli ir pamanāmas. Bīstamākas tiek uzskatītas mikroplaisas, jo tās ir grūti identificēt savlaicīgi un tās parādās izstrādājuma ekspluatācijas laikā, kas noved pie tā bojāšanās, tā pat tās var atvērties samazinoties vides mitrumam, attiecīgi arī koksnes mitrumam, vai strauji palielinoties temperatūrai. Tādas plaisas var kļūt par sprieguma punktiem no kuriem sākas materiāla sabrukšana slodzes darbībā, kā arī tām atveroties uguns iespaidā, palielinās degošās virsmas lielums.

Raksturīga koksnes īpašība ir tās stiprības izmaiņa atkarībā no slodzes darbības ilguma. Koksnes stiprība un līdz ar to koka konstrukciju nestspēja, ilgstoši slogojot ir daudz mazāka, bet deformācijas daudz lielākas nekā īslaicīgas slodze gadījumā. Šāda īpašība ir novērojama vecās ēkās ar koka jumta konstrukciju un dakstiņu segumu, dakstiņu svars ilgstoši darbojas uz koka elementiem un, neskatoties, ka to nestspējas robeža nav sasniegta, ir novērojama jumta izliekšanās, kas rada jumtam izliektu formu. Ir jāņem vērā, ka cikliskas vides izmaiņas, proti, temperatūras svārstības, mitruma izmaiņas un ultravioletā starojuma cikliska ietekme, slodzes cikliskums ar laiku samazina koksnes maksimālo slogojuma līmeni.

Koksnes stiprību un stingumu ietekmē arī temperatūras izmaiņas. Temperatūrai pieaugot, koksnes stiprība un stingums samazinās. Koka konstrukcijas nedrīkst lietot cehos, kur vidējā temperatūra pārsniedz +50°C. Turpretī, ja temperatūra ir zemāka par 0°C, koksnē esošais ūdens sasalst un tās stiprība palielinās. Spiedē pieaugums var būt līdz 30%, liecē – līdz 40%, skaldē –pat līdz70%. Taču triecienliecē koksnes stiprība samazinās, koksne pie zemām temperatūrām kļūst trausla. Ja koksne tiek pakļauta augstai temperatūrai, piemēram, neievērojot koksnes žāvēšanas procesu vai speciāli termiski apstrādājot, kā arī pēc ugunsgrēkiem, koksnei samazinās hidroskopiskums un ūdensuzsūce, tā pat ir palielinās trauslums. Pilns tādu izmaiņu mehānisms nav izpētīts, tomēr ir zināms, ka temperatūras iespaidā koksnes struktūra no organiskas tiek mainīta uz kristālisku. Stiprības rādītāju izmainās ir pretrunīgas un atkarīgas no temperatūras ietekmes ilguma, no temperatūras augstuma un vides mitruma.

Izmantotie informācijas avoti

• Bukšāns E. (2010). Koksnes materiālu ugunsdrošību ietekmējošie faktori un uguns reakcijas prognozēšana. Jelgava: LLU. 127 lpp.
• Būvmateriāli (1972). Rīga: Zvaigzne. 326 lpp.
• Jelgavas Amatniecības vidusskola. (2008). Mācību priekšmets: materiālu mācība. 61 lpp.
• Koshizuka T., Ishikawa T. (2005, Nr. 177.). Structural decay and flame retardancyof wood as a natural polymer: Combusted Science un Technology. 819-842.lpp.
• Kreišmanis K. (1967). Koka konstrukciju aizsardzība: Liesma. 172 lpp.
• LBN 201-10 „Būvju ugunsdrošība”.
• LBN 201-96 „Ugunsdrošības normas”.
• LeVan S L., Winandy J E. (1992). Effects of fire retardant treatments on woodstrength. Madison: USDA Forest Service.
• LVS EN 1995-1-2:2004 „5.Eirokodekss. koka konstrukciju projektēšana. 1.-2.daļa:Vispārīgi. Konstrukciju ugunsdrošības projektēšana”.
• MK noteikumi Nr.82 „Ugunsdrošības noteikumi”.
• Ozoliņš A. (2005). Praktiskā koksne: Jumava. 95 lpp.
• Ulpe J., Kupče L. (1991). Koka un plastmasu konstrukcijas: Zvaigzne. 303 lpp.