كثافة الخشب هي كتلة الخشب في وحدة الحجم، وهي أفضل مؤشر منفرد على المتانة والصلابة في الخشب النقي الخالي من العيوب. وبالنسبة لأنواع أخشاب البالتات تتراوح الكثافة عند رطوبة 12% بين نحو 390 كغ/م³ (24 رطلاً/قدم³) للصنوبر الأبيض الشرقي وحوالي 760 كغ/م³ (47 رطلاً/قدم³) للبلوط الأبيض، وترتفع مقاومة الانحناء بما يقارب التناسب مع الكثافة.
كيفية قراءة الجدول
أكثر المصادر استشهاداً بها لخصائص الخشب النقي هو Wood Handbook: Wood as an Engineering Material الصادر عن مختبر منتجات الغابات (FPL) التابع لوزارة الزراعة الأمريكية (USDA). ويدرج الدليل الوزن النوعي (الكثافة النسبية) ومعامل الانكسار ومعامل المرونة المقاسة على عيّنات صغيرة خالية من العيوب جرى اختبارها بطريقة قياسية.
- الوزن النوعي (SG): الكتلة الجافة تماماً مقسومة على كتلة الحجم نفسه من الماء. وهو بلا وحدة؛ فالوزن النوعي 0,50 يعني نصف كثافة الماء في الحالة الجافة.
- الكثافة عند محتوى رطوبة 12%: تُقدَّر في هذه المقالة بالمعادلة SG × 1,12 × 1000 كغ/م³، وهي تشمل كتلة الماء عند رطوبة 12% وتتجاهل التأثيرات الطفيفة في الحجم الناتجة عن الانكماش. وتُقرَّب القيم إلى أقرب 10 كغ/م³، وهي تقديرات وليست أرقاماً مدرجة في Wood Handbook.
- معامل الانكسار (MOR): إجهاد الانحناء عند الانهيار، وهو مقياس للمتانة. وكلما ارتفع MOR تحمّلت اللوحة حمولة أكبر قبل أن تنكسر.
- معامل المرونة (MOE): الصلابة. وهو يتحكم في مقدار انحناء لوح السطح أو العارضة تحت حمولة معينة.
يؤثر محتوى الرطوبة بقوة في كل الأرقام: فالخشب الأخضر أضعف وأثقل من الخشب الجاف. راجع رطوبة الخشب لمعرفة كيفية قياسها والتحكم فيها.
جدول الأنواع الشائعة عند رطوبة 12%
القيم أدناه للخشب النقي عند محتوى رطوبة 12%، مأخوذة من الجدول 5-3 في Wood Handbook (النسخة المترية) كما أعادت نشرها جهة تعليم هندسي؛ أما الكثافات فهي من حساب المؤلف كما سبق وصفه.
| النوع | الصنف | SG (12%) | الكثافة التقريبية عند 12% (كغ/م³) | MOR (ميغاباسكال) | MOE (غيغاباسكال) |
|---|---|---|---|---|---|
| الصنوبر الأبيض الشرقي | خشب لين | 0,35 | 390 | 59 | 8,5 |
| تنوب سيتكا | خشب لين | 0,40 | 450 | 70 | 10,8 |
| التوليب الأصفر (Yellow-poplar) | خشب صلد | 0,42 | 470 | 70 | 10,9 |
| الشوح الدوغلاسي، الساحلي | خشب لين | 0,48 | 540 | 85 | 13,4 |
| صنوبر لوبلولي | خشب لين | 0,51 | 570 | 88 | 12,3 |
| البتولا الورقية | خشب صلد | 0,55 | 620 | 85 | 11,0 |
| الصنوبر طويل الأوراق | خشب لين | 0,59 | 660 | 100 | 13,7 |
| البلوط الأحمر الشمالي | خشب صلد | 0,63 | 710 | 99 | 12,5 |
| البلوط الأبيض | خشب صلد | 0,68 | 760 | 105 | 12,3 |
التحويل من المتري إلى الإمبراطوري: 1 ميغاباسكال = 145 رطلاً/بوصة²، و1 غيغاباسكال = 145000 رطل/بوصة². فمثلاً صنوبر لوبلولي عند 88 ميغاباسكال يعادل نحو 12800 رطل/بوصة²، و12,3 غيغاباسكال تعادل نحو 1,79 مليون رطل/بوصة².
ماذا تعني الأرقام بالنسبة للبالتات
الكثافة ليست كل شيء. ترتفع المتانة مع الكثافة، لكن الصلابة لا تتبعها بالانتظام نفسه. ويُظهر الجدول أن التوليب الأصفر وتنوب سيتكا متقاربان جداً في المتانة، وأن البلوط الأبيض أكثر كثافة بكثير من الصنوبر طويل الأوراق بينما معامل مرونته أقل. لذلك يحتاج اختيار النوع إلى أكثر من ترتيب بحسب الكثافة.
قيم الخشب النقي هي الحد الأعلى، وليست قيمة التصميم. تحتوي ألواح البالتات الحقيقية على عقد وميلان في الألياف وحواف غير مستقيمة وشقوق وعيوب أخرى تخفض المتانة كثيراً عن الأرقام أعلاه. وتنظّم هذا الأثر قواعد تصنيف الأخشاب وحدود عيوب الأخشاب، وتطبّق معايير تصميم البالتات عوامل تخفيض لمراعاة التباين والحمل طويل الأمد. ولا تستخدم قيم الجدول مباشرة كإجهادات مسموحة أبداً.
الخشب الأثقل يزيد الوزن ويصعّب التسمير. قد يحمل بالت الخشب الصلد الكثيف أكثر لكنه يزن أكثر أيضاً، مما يرفع تكلفة الشحن، كما يصعب تسميره دون أن يتشقق؛ راجع دليل وزن البالتات ومسامير البالتات ووسائل التثبيت.
الصلابة هي التي تحكم غالباً. تفشل ألواح السطح والعارضات على عوارض الرفوف بسبب الانحناء المفرط قبل أن تنكسر بوقت طويل، لذا قد يكون MOE بأهمية MOR. ويُشرح اختبار التحميل في معايير اختبار البالتات.
مجموعات الأنواع النموذجية في صناعة البالتات
تعتمد مواد البالتات على ما هو متوافر محلياً ورخيص:
| المنطقة | خشب البالتات الشائع | ملاحظات |
|---|---|---|
| شمال أوروبا ووسطها | التنوب النرويجي، الصنوبر الاسكتلندي | خفيف وسهل التسمير؛ انظر التنوب والشوح |
| جنوب شرق الولايات المتحدة | الصنوبر الأصفر الجنوبي (لوبلولي، طويل الأوراق، قصير الأوراق، سلاش) | قوي وشائع في البالتات الجديدة؛ انظر الصنوبر الأصفر الجنوبي |
| نصف الكرة الجنوبي | الصنوبر الإشعاعي | خشب لين من المزارع؛ انظر الصنوبر الإشعاعي |
| شرق الولايات المتحدة | البلوط وأخشاب صلدة مختلطة | حصة كبيرة من أخشاب البالتات الأمريكية من الأخشاب الصلدة؛ انظر بالتات الخشب اللين مقابل الصلد |
| أوروبا الشرقية وآسيا | البتولا، التوليب (الحور)، أنواع مختلطة | أخشاب صلدة خفيفة تُستخدم للكتل والألواح؛ انظر الحور والبتولا |
لا يرد التنوب والصنوبر الاسكتلندي والصنوبر الإشعاعي في الجدول أعلاه لأن Wood Handbook يغطي الأنواع النامية في الولايات المتحدة؛ ويجب أخذ قيمها من البيانات الأوروبية (EN 338 أو EN 408) أو الوطنية. ويرد استعراض الخيارات في أنواع أخشاب البالتات.
حدود البيانات
- القيم مستمدة من عيّنات صغيرة نقية اختُبرت في ظروف قياسية. والتباين بين الأشجار والمواقع ومعدلات النمو كبير؛ ويورد Wood Handbook نفسه معاملات التباين.
- الخشب سريع النمو في المزارع، بحلقاته العريضة ونسبته العالية من الخشب الفتي، يكون عادةً أخف وأضعف من قيم الجدول للنوع نفسه.
- لمدة التحميل أهمية. فالحمل الذي تتحمله اللوحة دقيقة قد يسبب الزحف والانهيار بعد شهور من التخزين على الرفوف.
- دون نقطة تشبّع الألياف (نحو 25 إلى 30% رطوبة) يكتسب الخشب متانة وصلابة كلما جفّ، وهذا أحد أسباب تحسّن الجودة بالتجفيف في الأفران.
الأسئلة الشائعة
ما أقوى خشب للبالتات؟
من بين الأنواع الواردة في الجدول، يتمتع البلوط الأبيض والصنوبر طويل الأوراق بأعلى مقاومة للانحناء. وعملياً ليس النوع الأقوى دائماً هو الأفضل اختياراً، لأن الخشب الأثقل أغلى في الشحن والتسمير.
ما كثافة خشب الصنوبر؟
يغطي الصنوبر نطاقاً واسعاً. ففي Wood Handbook تبلغ كثافة الصنوبر الأبيض الشرقي نحو 390 كغ/م³ عند رطوبة 12%، وصنوبر لوبلولي نحو 570 كغ/م³، والصنوبر طويل الأوراق نحو 660 كغ/م³، بحسب الحساب الموضح هنا.
هل يمكن استخدام الكثافة لتقدير وزن البالت؟
نعم، للتقدير التقريبي: اضرب حجم الخشب في الكثافة عند محتوى الرطوبة الفعلي. فالخشب الرطب أثقل بكثير من قيم 12%.
هل هذه القيم آمنة للاستخدام في التصميم الهندسي؟
لا. فهي متوسطات للخشب النقي. ويعتمد التصميم الإنشائي على قيم الأخشاب المصنّفة مع عوامل أمان، أو على تصاميم بالتات جرى اختبارها.
المصادر
- Wood Handbook: Wood as an Engineering Material (FPL-GTR-190) — USDA Forest Products Laboratory
- Wood as an Engineering Material: Mechanical Properties of Wood (Table 5-3 reproduction) — CED Engineering
- How Much Load Can My Pallet Carry? — Virginia Tech Center for Packaging and Unit Load Design