Puutieteellisiä käsitteitä

Puun rakennetta ja ominaisuuksia tutkivaa tiedettä sanotaan puutieteeksi. Puuteknologia määritellään tieteeksi, jonka kohteena on puun tekniseen käyttökelpoisuuteen vaikuttava puun rakenne ja ominaisuudet. Puutiede on perustutkimusta. Puuteknologia on soveltava tiede.

Mieti mitä puu voi olla?

Puu = 1) monivuotinen puuvartinen kasvi
2) puuaine - ehyt solukko tai soluseinämien rakennusaine
3) kappale puuta

Puuteknologia

Puuteknologiassa tarkastellaan puuaineen rakennetta ja ominaisuuksia sekä puun ja puutuotteiden materiaali- ja valmistustekniikkaa.

Puun fysikaaliset ominaisuudet

Tiheys

Tiheydellä tarkoitetaan fysiikassa jonkin aineen massaa tilavuusyksikköä kohti. Massan yksikkönä on kilogramma ja tilavuusyksikkönä kuutiometri eli tiheydeksi saadaan näin Kg/m³. Tiheyden yksiköiden suhteet toisiinsa ovat: 1000 kg/m³ = 1 kg/l = 1 g/cm³

Puun tiheys

Koska eri puulajeilla soluseinämän tiheys on suurin piirtein sama ( 1,5g/cm³) puuaineen tiheys määräytyy soluseinämän ja soluontelon välisestä suhteesta. Mitä isompi puuaineen solujen soluseinämä on verrattuna soluonteloon, sitä tiheämpää puu on.

Tiheyden vaihtelu eri puuaineilla johtuu:

Puuaineen rakenteesta (puulajit, kasvupaikka, hoito)

Veden määrästä eli kosteudesta

Tiheyden määritys

Tiheys voidaan määritellä monessa eri kosteustilassa. Yleensä tiheys määritellään absoluuttisen kuivasta puusta. Tiheys määritellään seuraavasti: Kuivataan puu kuivaksi, koneistetaan oikeaan mittaan, mitataan kappale ja lasketaan tilavuus.

Puun tiheyden määräävä tekijä on sen sisältämien soluseinien paksuus. Lähes kaikilla puulajeilla soluseinän tiheys on sama, mutta soluseinien paksuus suhteessa solun läpimittaan vaihtelee. Puulajien väliset tiheydet vaihtelevat paljon. Tiheän ja raskaan puun soluissa on paksut soluseinät ja pienet soluontelot.

Puun tiheyteen vaikuttaa sen kosteus. Tämän takia puun tiheyden määrittäminen on suoritettava oikeiden mittausstandardien puitteissa.

Puun tiheys ei ole kauttaaltaan rungossa sama, koska puuaineen tiheyteen vaikuttaa puun ikä. Yleisesti ottaen Suomessa kasvavilla puulajeilla tiheys lisääntyy iän mukana. Puun tiheyteen vaikuttaa myös kasvunopeus. Hidaskasvuinen puu on yleensä tiheämpää, kuin nopeakasvuinen. Lisäksi maantieteellisillä oloilla ja puuyksilön geneettisellä perimällä on vaikutusta puun tiheyteen, kuten muihinkin ominaisuuksiin.

Eri puulajien tiheyksiä

Balsa 90 – 130 Kg/m³

Mänty 370 – 550 Kg/m³

Koivu 590 – 740 Kg/m³

Tammi 750 – 900 Kg/m³

Puun kosteus

Puu on hygroskooppista, eli se imee itseensä vettä. Puu kykenee siis myös sitomaan ilman vesihöyryä itseensä. Kosteus sitoutuu aluksi soluseinämiin, kunnes vettä alkaa varastoitua soluonteloihin. Soluseinämät turpoavat, kun niihin sitoutuu vesimolekyylejä. Tätä tarkoitetaan, kun puhutaan puun kosteuselämisestä. Näin ollen puun massaan ja tietyssä rajoissa mittoihin vaikuttaa sen sisältämä kosteus.

Puun kosteussuhteella tarkoitetaan puussa olevan veden painon suhdetta puun absoluuttiseen kuivapainoon. Kasvavan tuoreen puun kosteusaste on yli 30 %.

Kaadettu puu asettuu aina tasapainokosteuteen sitä ympäristönsä kanssa. Siksi onkin tärkeää valita käyttökohteen kanssa yhdenpitävässä kosteussuhteessa olevaa puutavaraa, jotta puun kosteuseläminen ei aiheuttaisi ongelmia sen käytössä.

Puunsyiden kyllästymispisteellä (PSK) tarkoitetaan tilaa, jossa puu on asettautunut maksimaaliseen kosteussuhteeseen, tietyssä lämpötilassa suhteellisen höyrynpaineen ollessa 1. PSK on paljon suurempi kevätpuussa kuin kesäpuussa. Tämä ilmeisesti johtuu kesäpuun korkeasta ligniinipitoisuudesta, joka alentaa keskimääräistä liikkumista.

Puun kosteuseläminen on anisotrooppista eli se kutistuu ja turpoaa eri määrän säteen tangentin ja pituuden suunnassa. Pituudensuuntainen kutistuminen tuoreesta puusta absoluuttisen kuivaksi on puulajista riippuen 0,1 - 0,3 %. Säteensuuntainen kutistuminen on 3 - 6 % ja tangentinsuuntainen kutistuminen 6 - 12 % (Skaar 1972 Kärkkäisen 2003 mukaan.) Myös puulaji ja puuaineen tiheys vaikuttavat puuaineen kutistumiseen ja turpoamiseen.

Puun anisotrooppisella kosteuselämisellä on monissa sen käyttömuodoissa huomattava merkitys. Puu halkeilee helposti kuivuessaan, varsinkin pyöreä puu, koska kutistuminen tangentin suuntaan on voimakkaampaa kuin säteen suuntaan. Tavanomaisesti sahattu lauta käyristyy niin että pintapuolesta tulee kovera. (Kärkkäinen 2003.) Näihin asioihin voidaan jonkin verran vaikuttaa kuivauksella ja sahaustekniikoilla.

Puun kosteuselämistä on pyritty minimoimaan monin tavoin. Esimerkiksi pintakäsittely suojaa puuta vain tilapäisesti kosteuselämiseltä. Lämpökäsitellyllä puun liikkumiskykyä on pystytty alentamaan huomattavasti. Toinen yleisesti käytetty tapa on puun kyllästäminen. Siinä soluseinämän vesi pyritään korvaamaan toisella aineella. Sahaustavoilla on huomattava merkitys kuivauksessa syntyviin muotovikoihin.

Puun lujuus

Puun lujuus vaihtelee eri suunnissa. Syysuunnassa eli pituussuunnassa puu kestää taivutusta n. 15 kertaa enemmän kuin poikkisuunnassa. Myös oksat heikentävät puuaineen lujuutta, koska normaali syysuunta joutuu kiertämään ne. Siksi muotoiltaessa esineitä puusta on tärkeää miten päin kappale tai kappaleet asetetaan.

Puuaineen lujuuteen vaikuttavat myös sen tiheys ja kasvunopeus. Tiheä puu kestää voimakkaampaa taivutusta niin pitkittäis- kuin poikittaissuunnassakin. (Metsäyhdistys 1999.) Lisäksi lujuuteen vaikuttavat kappaleen kosteus, lämpötila sekä siihen kohdistuvan kuormituksen aika (Kärkkäinen 2003).

Puuaineesta määritetään käyttökohteesta riippuen tiettyjä määreitä. Kantavissa rakenteissa puun lujuusominaisuudet on otettava huomioon ja toisaalta esim. lattioissa puun pintakovuudella on merkitystä. Teollisuudessa on käytössä tiettyjä standardein määriteltyjä mittamääreitä, ja tieteellisessä mielessä puuaineen tutkimiseen on samoin omat standardimittaukset. Standardit määrittävät testikappaleiden dimensiot ja niihin kohdistuvan voiman suunnan, lujuuden ja nopeuden. Kuten jo edellä mainittiin puumateriaalin tiheys ja muut ominaisuudet muuttuvat voimakkaasti jopa saman rungon sisällä. Mittaukselle asetetaankin suuret haasteet, jotta tulokset olisivat luotettavia ja yleisesti käyttökelpoisia.

Puutieteellisessä testauksessa puuaineesta voidaan määrittää mm. kimmomoduuli (kestokyky ilman muodonmuutosta), eri väsytyskokeita, viskoelastisuus ja kovuus sekä taivutus-, puristus-, halkaisu-, ja vetolujuus.

Teollisuuden mittamääreet on sovellettu käyttökohteen mukaan. Rakennussahatavaralle on olemassa joko koneellisesti tai silmävaraisesti määritellyt lujuusluokat. Suomessa sahatavara lujuuslajitellaan koneellisesti luokkiin MT18, MT24, MT30 ja MT40 sekä visuaalisesti luokkiin T18, T24, T30 ja T40.

Huonekaluteollisuudessa eräissä käyttösovelluksissa, kuten taivutettaessa, puun venyminen ennen murtorajaa on erityisen kiinnostava määre.

Parkettien yhteydessä puhutaan usein Brinell-kovuudesta, jolla kuvataan pinnan kovuutta (standardi). Brinell-kovuus sinällään ei välttämättä kerro puun kulutuskestävyydestä, vaan se mittaa puun lujuutta vastustaa ulkoisia voimia. Esim. lattiamateriaaleissa voidaan vertailla eri puuainesten kestävyyttä erilaisille iskuille ja suoraan kohdistuville pistekuormille. Yleisesti ottaen voidaan olettaa, että mitä kovempaa puu on, sitä paremmin se kestää kulutusta. Kulutuskestävyyteen on olemassa erilaisia testejä kuten Taber-testi. Kokeessa puuta hangataan tietty kierroslukumäärä ja mitataan esim. irtoavan puuaineksen määrä.

Brinellin kovuuskoe

Brinellin kovuuskokeen kehitti ruotsalainen tohtori J.A. Brinell vuonna 1900. Menetelmässä mitataan teräs- tai kovametallipallon painaumaa tutkittavaan materiaalin staattisen kuormituksen alaisena mittausajan ollessa vakio. Kaaviokuva Brinellin kovuuden mittaamisesta on esitetty kuvassa alla. Syntyneen kuopan halkaisija mitataan kahdessa toisiaan vastaan kohtisuorassa suunnassa. Brinellin kovuus on kuormitusvoima Newtoneina painauman kalottipinta-alaa kohden. Pinta-ala annetaan millimetreinä. Yhtälön muodossa ilmaistuna kovuus on:

missä F on käytetty voima, D on pallon halkaisija ja d on painuman halkaisija.

Kuva: Brinell- kovuuden mittaustapa.





Kovuusarvot merkitään esim. seuraavasti: 200HB. Teräspallo soveltuu käytettäväksi kovuuksiin 450HB saakka. Sen jälkeen käytetään kovametallipalloa, tunnus HBW, kovuuteen 650 HBW saakka.

Tulostettava versio: Puun fysikaaliset ominaisuudet.doc​