Zarys biomechaniki drzew, trójkąt statyki, przyczyny i przeciwdziałanie awarii

Wstęp

Biomechanika  bada właściwości mechaniczne tkanek, narządów, układów oraz ruch mechaniczny żywych organizmów – jego przyczyny i skutki. Przyczynami ruchu są siły: zewnętrzne (zwłaszcza ciężkości) i wewnętrzne (zwłaszcza mięśniowe). Skutkiem jest zmiana położenia całego organizmu lub względnego położenia jego części lub ciał zewnętrznych. Skutkiem może być także naprężenia, czy odkształcenia ciała. [źródło: Wikipedia].

W diagnostyce drzew zagadnienia biomechaniczne wykorzystywane są dwutorowo:

• w ocenie wizualnej drzew, w trakcie której analizuje się występując cechy diagnostyczne i inne symptomy, które wskazują na zagrożenia dla stabilności całego drzewa i jego poszczególnych części (lub im przeczą),
• w metodach pomiarowych, które traktują drzewo jako konstrukcję poddawaną obciążeniom, opartych na dendrometrii lub wzbogaconych wynikami badań instrumentalnych (przede wszystkim tomografii i próby obciążeniowej).

W niniejszym artykule skupię się na drugim z tych aspektów.

Trójkąt statyk

Pod strzechy biomechanikę konstrukcyjną wprowadził Lothar Wessolly, który (w współpracy z innymi osobami) opracował zasady jej badania.

W swoim podręczniku (Handbuch der Baumstatik und Baumkontrolle, 1998) Wessolly i Erb zaproponowali pojęcie trójkąta statyki, wizualizującego koncepcję zachowania drzew po wpływem obciążeń.

Postanowili traktować drzewo jako konstrukcję, która poddawana jest obciążeniom (m.in. ciężar masy własnej, śnieg, okiść, deszcz a przede wszystkim parcie wiatru), które muszą być przenoszone przez jego tkanki, a ich zdolność do tego zależy od ich właściwości materiałowej (głownie włókiem drzewnych) i geometrii danego przekroju. 

Zagadnienie nośności (która jest wypadkową materiału i kształtu) tyczy się każdego elementu drzewa jak również stabilności w gruncie (w tym przypadku jako „kształt” możemy traktować strukturę przestrzenną całego systemy korzeniowego, a jako „materiał” nie tylko budowę korzeni, ale także opór gleby). Jednak powszechne obliczenia wytrzymałościowe sporządza się tylko dla pni (lub przewodników). 

Obciążenie

Obciążenia są podstawowym czynnikiem wywołującym w drewnie naprężenia, które mogą być przyczyną awarii (pęknięć, złamań, wykrotu). Ze względu na ich mnogość oraz dużą amplitudę, są najbardziej zmiennym składnikiem trójkąta statyki. Ponadto w zarządzaniu drzewami jest to właściwie jedyna składowa, na którą możemy mieć  wpływ (np. poprzez redukcję korony). 

Dlatego jest to tak istotny element w analizach statyki drzew

Ciężar

Jednym z obciążeń jest ciężar własny drzewa, który zależny jest od jego masy. 

Jest to obciążenie pionowe (normalne), wywołujące naprężenia ściskające, w większości wypadków mało istotne dla wytrzymałości pnia na złamanie a także stabilności w gruncie (a nawet może w tej kwestii być czynnikiem pozytywnym). 

Obciążenia te raczej nie przekraczają 10% sumarycznych obciążeń podstawy pnia i korzeni a co najważniejsze, mają małą zmienność – składowymi są relatywnie stabilna masa drzewa powyżej poziomu gruntu (lub badanego przekroju) oraz odziaływanie grawitacji Ziemi. 

Sytuacja zmienia się, gdy drzewo jest pochylone. Pojawia się wtedy moment masy własnej, rosnący wykładniczo wraz z stopniem nachylenia. Masa własna odgrywa analogiczną rolę w mechanice konarów i gałęzi, szczególnie tych rosnących horyzontalnie.

Czynnikiem dodatkowym, sumującym się z ciężarem, są opady i osady (śnieg, deszcz, szadź itd.) oraz inne obiekty powiązane z drzewem (np. jemioła, bluszcz, gniazda ptasie). Mogą one prowadzić do przesunięcia środka ciężkości i tym samym powodować powstawanie momentu zginającego (podobnie jak pochył). 

Wiatr

Przemieszczające się masy powietrza napotykając drzewo wywieraj na nie siłę aerodynamiczną, wynikającą z oporu powierzchni drzewa oraz tarcia powstającego w trakcie opływania elementów drzewa (także we wnętrzu korony).

Wielkość tej siły zależy od ciśnienia wiatru (które wynika z jego prędkości i gęstości oraz intensywności turbulencji), rzutu powierzchni korony i pnia oraz ażurowości i tekstury korony (co uwzględnia współczynnik oporu aerodynamicznego). 

Efektem tego odziaływania jest moment zginający, zwany momentem wiatru. 

Jest to najistotniejszą i najtrudniejszą do obliczenia składową obciążeń zewnętrznych – przyjmuje się, że przy ulistnieniu drzewa może odpowiadać za ponad 90% składowej sił oddziałujących na podstawę pnia i system korzeniowy. W celu jego obliczenia sporządza się analizę naporu wiatru (którą najłatwiej przeprowadzić w dedykowanych programach użytkowych), której poświęcę osobny artykuł

W klasycznych rozważaniach moment wiatru traktuje się jako efekt czystego zginania (o jednej składowej), wywołujący jedynie siłę podłużną (naprężenia normalne) (ściskające i rozciągające). W rzeczywistości w zginanym pniu pojawia się szereg sił poprzecznych (naprężeń promieniowych i stycznych a także innych) oraz deformacji.

Tym bardziej, że zawsze będziemy mieć także do czynienia z momentem skręcającym, który będzie również prowadzić do spaczenia (deplanacji). Znaczenie tych sił rośnie wraz ze wzrostem stopnia rozkładu  a właśnie drzewa z dużymi ubytkami są szczególnie narażone na awarie.

Moment skręcający jest szczególnie wyraźny w drzewach z asymetrycznymi koronami i pochylonych porzecznie do kierunku wiatru. Powodem może by także częściowe osłonięcie drzewa przez inne obiekty oraz zawirowania wiatru. 

Sumowanie obciążeń

Drzewa są poddawane działaniu wielu rodzajom obciążeń i momentów jednocześnie, w różnych i silnie zmiennych proporcjach. W dodatku ich organy muszą spełniać różnorodne funkcje i mieć budowę dostosowaną do wszystkich celów – nie są więc w stanie być przystosowane do przenoszenia wszystkich obciążeń. Szczególnie, gdy występują w dużym natężeniu i zmienności, podczas gwałtownych zjawisk atmosferycznych, które są jest najczęstszą przyczyną złamań pni i wykrotów. 

Zespolone odziaływanie momentów jest także istotne w mechanizmie wyłamywania konarów, które są na niego szczególnie podane.

Materiał

Naprężenia ściskające

Jak już wiemy, w obciążonym pniu pojawiają się m.in. siły podłużne (o kierunku zgodnym z osią drzewa), które prowadzą do ściskania pnia po stronie zawietrznej i rozciągania po nawietrznej. W powszechnie przyjętej teorii, są one odpowiedzialne za powstawanie złamań. Wessolly określił wytrzymałość na ściskanie zbadanych przez niego gatunków drzew od 14 N/mm² (kasztanowiec biały) do 28 N/mm² (dąb szypułkowy), średnio 20 N/mm².

Dlatego decydującym czynnikiem wpływającym na odporność pnia na złamanie jest wytrzymałość „zielonego” drewna na ściskanie. Ta właściwość jest istotna, bo jest ona dwu- trzykrotnie niższa niż wytrzymałość na rozciąganie. Co prawda istnieje mechanizm naprężeń wzrostowych (patrz niżej, w części o przystosowaniach drzewa) ale nie równoważy on całkowicie tej różnicy. Dlatego w włóknach po stronie ściskanej dochodzi szybciej do przekroczenia granicy sprężystości (elastyczności).

Granica sprężystości wyznacza naprężenie maksymalne które jeszcze nie prowadzi do powstawiania nieodwracalnych odkształceń, co uznaje się za punkt awarii pierwotnej. Przy wyższych wartościach, nawet po ustąpieniu obciążenia, drzewo nie wraca do pierwotnego kształtu. A przy dalszym zwiększaniu obciążenia następuję pęknięcie pnia, czyli awaria wtórna.

W tym schemacie awaria w jest inicjowana przez wyboczenie włókien po stronie ściskanej, co prowadzi do wzrostu napięć po stronie rozciąganej, gdzie następuje pęknięcie.

Drewno zielone (green wood) – oznacza niesezonowane drewno, o wilgotności min. 50%, podobne we właściwościach mechanicznych do drewna żyjących drzew. Jest to istotny parametr próbek do badań wytrzymałościowych, ponieważ zdolność drewna do odporności na siły mechaniczne zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości wilgoci (przy czym powyżej 50% ten spadek jest już nieznaczny).

W analizach wytrzymałości drewna spotkacie się z używaniem różnych granic. Są one często stosowane zamiennie, niejednokrotnie źle tłumaczone, a w rzeczywistości oznaczają inne zdarzenia (osiągane przy odziemnych nieprężeniach):

R_h – granica proporcjonalności. Największa wartość naprężenia, przy której zachowana jest liniowa zależność pomiędzy siłą, a wydłużeniem (prawo Hooke’a).
R_s(p) – granica sprężystości. Największa wartość naprężenia, przy której nie wystąpią jeszcze odkształcenia trwałe. Przyjęto umowną granicę sprężystości, odpowiada ona naprężeniom wywołującym pomijalne odkształcenia trwałe (0.05 %).
R_e – granica plastyczności. Wartość naprężenia inżynierskiego powyżej której następuje wyraźny przyrost wydłużenia bez przyrostu siły lub nawet przy jej chwilowym spadku. Wiele materiałów wykazuje górną (R_eH) i dolną (R_eL  =R_e ) granicę plastyczności. Ograniczają one przedział wartości naprężeń, przy których następuje proces płynięcia.

Wytrzymałość drewna zielonego na potrzeby określania punktu pierwotnej awarii określa się przez wyznaczenie granicy proporcjonalności, choć faktycznie jest nią granica sprężystości, która jest jednak trudna do określenia. 

Naprężenia styczne

Jak już wspomniałem, drzewo jest materiałem ortotropowym (anizotropowym), a dokładniej wykazuje ortotropię cylindryczną trzema płaszczyznami symetrii: poprzeczną (H), promieniową (V) i styczną (W). Linie przecięcia się tych płaszczyzn wyznaczają trzy kierunki anizotropii drewna i zarazem główne kierunki anatomiczne: A║A₀ – wzdłuż włókien, R= R₀ – promieniowy oraz T║T₀ – styczny do obranego słoja rocznego i prostopadły do obu poprzednich kierunków.

Na każdej płaszczyźnie drewno przejawia inne właściwości mechanicznie i różnica jest znaczna, bo wytrzymałość na kierunku prostopadłym do włókien jest 5-10 razy mniejsza niż na równoległym.

Właściwość ta nabiera znaczenia wraz ze wzrostem powierzchni rozkładu i tym samym ubywaniem zdrowej ścianki.

W wypróchniałych pniach dochodzi do silnej owalizacja przekroju pod wpływem zginania, a to powoduje, że pojawiają się odkształcenia/naprężenia rozciągające po stronie wypukłej i odkształcenia/naprężenia ściskające po wklęsłej stronie pnia, które mogą doprowadzić do miejscowego pęknięcia ścianki rozszerzającego się na pęknięcie wzdłużne pnia.

Na możliwość wystąpienia pęknięć podłużnych silnie wpływają także naprężenia styczne wywołane momentem skręcającym.

Uszkodzenie spowodowane stycznymi naprężeniami rozciągającymi staje się bardziej zrozumiałe, kiedy uświadomimy sobie, że pień z ubytkiem nigdy nie jest idealną rurą, jak w modelowaniu. Jeśli drzewo jest tylko lekko zakrzywione i nie jest dokładnie proste, ta krzywizna wstępna powoduje naprężenia styczne z krzywizną spowodowaną obciążeniem wiatrem. Wpływ wstępnej krzywizny na pionowe naprężenia zginające jest znacznie mniejszy. 

Ponadto w obliczeniach metodą elementów skończonych nie uwzględniono obserwacji, że ubytki mogą mieć zagłębienia od wewnątrz. Skutkuje to efektem nacinania napięć stycznych, których drzewo nie może zredukować poprzez adaptacyjny wzrost, ponieważ nie ma połączenia z kambium i w tym miejscu nie następuje wzrost.

Przy jeszcze cieńszych siankach (przy stosunku t/R ok 0,06), może wystąpić wyboczenie Brazier’a (od nazwiska badacza, który zajmował się owalizacją przekrojów). W tym przypadku także pierwotną przyczyną jest owalna deformacja przekroju, schemat awarii jest nieco inny, bo pęknięcie pojawia się jeszcze przed wystąpienie momentu krytycznego prowadzącego do pęknięć stycznych. Przyczyną jest znaczne lokalne zmniejszenie geometrycznego momentu bezwładności (przeczytasz o tym nie co niżej, w opisie „kształtu”) i sztywności, co z kolei prowadzi do lokalnego wzrostu krzywizny i dalszej owalizacji, prowadzącej do awarii konstrukcji w wyniku niestabilności strukturalnej.

Należy podkreślić, że awarie z efektem Brazier,’a są rzadkie, a możliwość ich wystąpienia jest ograniczana przez długość ubytku (oraz inny efekt, o którym niżej). 

Naprężenia poprzeczne mają także inne źródło, np. pojawiają się w wyniku różnic temperatur pomiędzy warstwami drewna albo przesychania (czyli nie są związane z obciążeniem zewnętrznym). 

Osiowe siły tnące

Istnieje jeszcze jedno wytłumaczenie pojawiania się pęknięć wzdłużnych pnia, zaproponowane przez Mattheck’a. Mianowicie stwierdził on, że jest to efekt generowania osiowych sił tnących podczas zginania.

Może on także zostać także wywołany przez nierównomierną deplanację powodowaną momentem skręcający

Kształt

Jednym z elementów decydujących o wytrzymałości pnia (i innych elementów konstrukcyjnych drzewa) jest jego geometria, czyli powierzchnia przekroju oraz rozmieszczenie przestrzenne. W mechanice jest ona definiowana jako wskaźnik (współczynnik) wytrzymałości przekroju na zginanie (Wz), który zależy przede wszystkim od geometrycznego momentu bezwładności. 

W okrągłych przekrojach, np. w kształcie koła (regularny, pełny pień) jego obliczenie jest proste, a wzór to Wz = πD³/32 (gdzie „D” jest średnicą pnia). To unaocznia, dlaczego odporność pni rośnie tak mocno wraz z przyrostem na grubość ( d³!) i jak to możliwe, że drzewa tak dobrze znoszą centralne ubytki, nawet o dużym przekroju. Zresztą te prawidła są wykorzystywane w konstrukcjach – np. słupki ogrodzeniowe mają przekrój rury, bo ich wytrzymałość wtedy jest znacznie większa, niż gdyby były wykonane z pręta (pełny przekrój) z takiej samej ilości materiału. 

Jak to wygląda w praktyce? Wzór na Wz regularnego pnia z regularnym centralnym ubytkiem (przekrój rury) to Wz = π(D⁴-d⁴)/32D (gdzie „D” jest średnicą a „d” średnicą ubytku). Podstawiając dane dowiemy się np., że gdy pień drzewa o średnicy 100 cm zwiększy ją o zaledwie 1 cm (do 101 cm), to tym przyrostem będzie w stanie zrównoważyć ubytek o średnicy 40 cm!

Inne przykłady pokazują ilustracje poniżej.

Oczywiście te obliczenia należy traktować jako przybliżone, ponieważ drewno jest anizotropowe (ma różne właściwości w zależności od kierunku) oraz niejednorodne. 

W każdym razie kształt nie odgrywa tak dużej roli w zmianie odporności na złamanie jak mogłoby się wydawać (choć większą niż właściwości mechaniczne). Dopóki nie pojawiają się ubytki otwarte (lub nie zajmuje one dużej części obwodu i są wzmacniane tkanką przyranną), a drzewo wciąż przyrasta dobrze na grubość, zazwyczaj kilkucentymetrowa zdrowa ścianka posiada wystarczającą nośność. Szczególnie, jeśli tyczy się to dojrzałych drzew, które już praktycznie nie przyrastają na wysokość, nie zwiększa się więc żagiel korony i tym samym obciążenie wiatrem. 

Pręt i rura.

Dużym ograniczeniem obliczeń konstrukcyjnych wytrzymałości drzewna obciążenia jest traktowanie pnia jako izotropowego pręta lub rury (gdy ma ubytek). Nawet bardziej zaawansowane obliczenia, oddające dokładny kształt pnia i ubytków nie uwzględniają prawdziwej charakterystyki budowy drzew i zmienności obciążeń. Szczególnie dużym wyzwaniem jest podział pnia na kolumny kambialne oraz intensywny rozwój tkanek przyrannych. W takim przypadku stosowanie obliczeń opartych o geometryczny moment bezwładności w rzeczywistości mija się z celem.

Dlatego ocena statyki drzewa powinna być przede wszystkim oparta na ocenie wizualnej, a a kalkulacje mechaniczne powinny być materiałem pomocniczym, a nie podstawą do podejmowania decyzji w sprawie postępowania z drzewem.

Przeciwdziałanie awarii

Korekta korony

Pomimo ograniczeń drzewa nie pozostają biernym odbiorcą energii i starają się minimalizować zagrożenie awarią, m.in. przez obniżanie wielkości przyjmowanych obciążeń. Podstawową strategią jest zmniejszania żagla korony, co przekłada się na niższy współczynnik oporu aerodynamicznego.

Mniej znany jest wpływ porowatości na współczynnik oporu. Badania wskazują, że początkowe zwiększanie porowatości, do ok 30%, skutkuje zwiększeniem tego współczynnika! Dopiero dalsze rozluźnianie korony daje nam jego spadek.

Co ciekawe, podczas zaginania korony pod wpływem wiatru dochodzi także do zmniejszenia porowatości, co również wskazuje na korzystność zmniejszenia tego współczynnika dla obniżania przyjmowanego obciążenia.

To bardzo ważne w kontekście prowadzenia tzw. cięć prześwietlających, które nimby mają wpływać na zmniejszenie oporu drzewa – a jak widać, jest wręcz odwrotnie! To kolejny argument za odrzuceniem tych niepotrzebnych, a nawet szkodliwych cięć (również z innych powodów

Kolejnym mechanizmem jest optymalizacja kształtu korony. Drzewa starają się utrzymywać ją zwartą oraz symetryczną, co optymalizuje współczynnik oporu oraz zapobiega wyłamaniem w koronie. Należy o tym pamiętać, wykonując cięcia w koronie.

Czasami korona przybiera nieregularną postać, szczególnie jeśli poddawana jest silnemu, regularnemu parciu wiatru z jednego kierunku – to również jest optymalizacja kształtu pod kątem aerodynamiczności.

Oczywiście kształt korony jest także uzależniony od innych czynników, np. potrzeby maksymalizacji powierzchni asymilacyjnej czy konkurencji z innymi drzewami i drzewa muszą w tej kwestii „iść na kompromisy”.

Silne wiatry skutkują także ograniczeniem wzrostu drzewa na wysokość, co jest związane z zahamowaniem wzrostu obciążania (unikanie wystawy na wyższe prędkości wiatru) oraz momentu gięcia (niewydłużanie „dźwigni”).

Niewątpliwie adaptacją do sporadycznego występowania huraganowych wiatrów jest też większa łamliwość gałęzi i konarów (a nawet przewodników) niż samego pnia. Urata nawet dużego konaru lub przewodnika oznacza spadek oporu powietrza więc mniejsze prawdopodobieństwo złamania pnia lub wykrotu, co miałoby dużo groźniejsze konsekwencje (z zamarciem drzewa włącznie).

Drewno reakcyjne

Do grona przystosowań w zakresie regulacji obciążenia należy także zaliczyć wytwarzanie drewna reakcyjnego. Jest to specjalistyczna tkanka, ale jej celem nie jest zwiększanie nośności drewna, ale zmniejszanie momentów sił (poprzez przyjęcie przez organ położenia normalnego w stosunku do działania grawitacji)

Drewno reakcyjne powstaje pod wpływem stresu mechanicznego, wywołanego odchylaniem się od naturalnej orientacji gałęzi i konarów oraz pni ( ).

Drewno to różni się od drewna normalnego budową makro− i mikroskopową, a także występuje w dwóch postaciach: drewna kompresyjnego i tensyjnego (które również różnią się od siebie w tych cechach

Drewno kompresyjne występuje u większości roślin nagonasiennych, tj. iglastych oraz nagozalążkowych drobnolistnych z rodzaju Ginkgo (miłorząb). Zwykle tworzy się po dolnej (ściskanej) stronie pnia odchylonego względem wektora grawitacji lub gałęzi wygiętej pod własnym ciężarem. Prowadzi do powstania ekscentrycznych słojów, gdyż zawsze w danym sezonie wegetacyjnym kambium wytwarza znacznie więcej drewna kompresyjnego niż normalnego. Jego zabarwienie jest intensywnie czerwone lub brunatne ze względu na znacznie większą zawartość ligniny.

Jedną z cech jest występujący w szczelinach między pęczkami fibryl celulozowych laricinian lub kalozopodobny 1,3 glukan. Związek ten ma zdolność wiązania cząsteczek wody i pęczniejąc powoduje wydłużanie cewek, co prowadzi do rozprężania drewna kompresyjnego i korekty położenia organów drzew.

Drewno tensyjne powstaje u większości roślin okrytozalążkowych z klasy dwuliściennych (czyli m.in. drzew liściastych), natomiast w pochylonych pędach drzewiastych roślin jednoliściennych zaznacza się ekscentryczność tkanek, ale drewno reakcyjne nie powstaje. Tworzy się po górnej (rozciąganej) stronie odchylonego pnia lub wygiętej gałęzi. W odróżnieniu od drewna kompresyjnego nie jest zabarwione.

Jego cechą jest obecność w strukturze wtórnej ściany komórkowej włókien niezlignifikowanego pokładu żelatynowego. Gdy zwiększa się stopień uwodnienia włókna, zaczyna on pęcznieć i wytwarzać znaczne siły rozciągające działające w kierunku poprzecznym, co powoduje kurczenie się podłużne włókna, a to pociąga za sobą korektę położenia pochylonego pnia czy wygiętej gałęzi.

Korekta kształtu przekroju

Wspomniana wyżej ekscentryczności przekrojów (będąca wynikiem wytwarzania drewna reakcyjnego lub kierunkowej zmiany tempa przyrostu na grubość) jest wynikiem stałego (regularnego) i ukierunkowanego obciążenia. Najczęściej będzie ono spowodowane silnymi wiatrami wiejącymi ze stałego kierunku najsilniejsze wiatry, lub przesunięciem środka ciężkości drzewa (z powodu pochyłu pnia lub ekscentryczności korony). Dzięki uzyskanej owalizacji przekroju wzrasta jego średnica na obciążonym kierunku i tym samym wskaźnik wytrzymałości na najbardziej obciążonym kierunku.

Innym typem korekty jest zwiększanie przyrostu najbardziej obciążonej, dolnej części pnia, jest intensyfikacja jej przyrostu na grubość i tym samym zwiększanie nośności, kosztem wyższych partii pnia. Efektem jest więc zwiększenie zbieżystości pnia. Zazwyczaj połączone jest to z ograniczaniem wzrostu na wysokość (patrz wyżej).

Niezwykle istotny jest także mechanizm wytwarzania tzw. baranich rogów, czyli tkanek powstających wzdłuż krawędzi ubytków otwartych i zawijanych charakterystycznie do ich wnętrza.

Obszar ten jest narażony na większe niż w pozostałej części przekroju naprężenia, zarówno podłużne jak i styczne, stąd dążenie do miejscowego powiększenia powierzchni przekroju. Ponadto ich rolą jest przeciwdziałanie zwiększaniu stopnia owalizacji podczas obciążenia.

Zwiększanie wytrzymałości

Drewno budujące wspomniane wyżej „baranie rogi” oprócz korekty geometrii ma też lepsze parametry wytrzymałościowe. Co istotne, wykazuje je zarówno dla naprężeń podłużnych jak i poprzecznych .

Podobne właściwości wykazują także tkanki przyranne rozwijane z kalusa w miejscu uszkodzenia drzewa. Ona także mogą przenosić większe uszkodzenia a dodatkowo są bardziej odporne na rozkład, co zapobiega utracie nośności w kolejnych latach.

Zmniejszanie naprężeń

Jak więc widać kolejny raz, różne cechy drzewa spełniają często odmienne funkcje, a także dochodzi do ich współdziałania. Np. mniejsza wytrzymałość drewna często łączy się z mniejszą sztywnością. Pnie i konary takich drzew są bardziej elastyczne, więc mocniej zaginają się na wietrze, zmniejszając żagiel korony. To sprawia, że maleje obciążenie a tym samym drewno przenosi mniejsze naprężenia, co równoważy jego skromniejszą wytrzymałość. 

Dlatego żadnej z właściwości, także materiałowych, nie należy rozpatrywać w oderwaniu od innych cech drzewa.

Naprężenia wzrostowe

Drzewa mają także wykształcone mechanizmy, które obniżają prawdopodobieństwo wystąpienia krytycznych naprężeń (większych niż wytrzymałość drewna). Jednym z nich są naprężenia wzrostowe. 

Osiowe naprężenia wzrostowe powstają wskutek kurczenia się najmłodszych komórek drewna, występujących w zewnętrznym płaszczu pnia, czemu przeciwstawiają się sztywne komórki w centrum pnia. Zewnętrzne słoje wchodzą więc w stan rozciągania, co równoważy ich mniejszą odporność na ściskanie niż rozciąganie.

Ciekawą prezentację na ten temat znajdziecie pod adresem https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/wood/structure_wood_pt3.p

Występują również styczne naprężenia wzrostowe, których mechanizm powstawania ma tą samą przyczynę, tj. kurczące się młode komórki jednocześnie pęcznieją i naciskają na siebie wzajemnie w kierunku stycznym. Dzięki temu zmniejsza się prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięć wzdłużnych pnia (w wyniku redukcji naprężeń rozciągających wprowadzonych przez obciążenia). Mechanizm jest tym bardziej istotny, że drewno na kierunku stycznym (i promieniowym) jest mniej odporne na rozciąganie niż ściskanie  – przeciwnie niż w kierunku osiowym. Różnica pomiędzy tymi kierunkami jest istotna, bo nawet 10-krotna! Dlatego drzewa z dużymi ubytkami są tak wrażliwe na ten typ uszkodzeń. 

W drewnie istnieją także promieniowe naprężenia wzrostowe, wytwarzane przez promienie drzewne i łykowe. Pomagają one zapobiegać m.in. skutkom zmiany naprężeń pod wpływem różnic temperatur oraz wilgotności w różnych warstwach drewna.

Jak więc widać, wszystkie tkanki w drzewie mają różne funkcje, stąd skomplikowana budowa drzew!

Należy o tym pamiętać, oceniając drzewo i decydując o jego przyszłości. W większości przypadków pojedyncza cecha nie przesądza o stanie drzewa i nie można ich rozpatrywać w oderwaniu od pozostałych cech. Oczywiście istnieją sytuacje, gdy tylko jedna rzecz jest wystarczająca do jednoznacznej oceny zagrożenia (np. szybko pogłębiający się pochył drzewa), ale nie są to częste sytuacje i jedyną prawidłową opcją jest kompleksowa ocena drzewa.

Wykorzystanie praktyczne

Biomechanika konstrukcyjna jest podstawą metod SIA oraz SIM (realizowanej w próbie obciążeniowej) a także analogicznych obliczeń na podstawie wyników tomografii i rezystografii.

Źródła ilustracji

Biblioteczka