木材乾燥時の応力と変形——木材乾燥時の内部応力とその原因
外力の作用により木材の断面に現れる応力を外部応力、外力が加わっていない木材内部の応力を内部応力といいます。外力を加えずに木材が割れたり変形したりするということは、木材の内部に確かに内部応力が存在していることを証明しています。例えば、木材のひび割れは、木材の引張強度限界を超える木材内部の引張応力による木材組織の破壊によって引き起こされます。
伐採されたばかりの湿った木材の内部水分分布は均一で、含水率の勾配がなく、内部応力がありません。しかし、木材を大気中で自然乾燥させると不均一な収縮が生じ、内部応力が発生します。たとえば、木材の表面の水は急速に蒸発し、まずその含水量が繊維の飽和点を下回って低下し、表面が収縮し始めます。ただし、内層の含水率は依然として繊維の飽和点を超えており、収縮は発生しません。このように、外層は収縮しますが、内層は収縮しないため、外部張力と内部圧縮という内部応力が発生します。木材の弦収縮と半径方向の収縮の差も内部応力の原因となります。
乾燥中の木材の内部応力の原因は、繊維の飽和点以下での木材の細胞内腔と細胞壁の変形によるものです。乾燥プロセス中の木材の曲がりやひび割れなどの欠陥は、内部応力の具体的な現れです。
木材の内部応力は、木材内部の水分含有量の不均一性と、それによって生じる乾燥収縮の不均一性によって引き起こされます。木材内の水分が不均一に分布すると、一時的な応力や変形が発生します。含水率が均一になると応力や変形はなくなります。この応力を含水応力または弾性応力といい、この変形を含水変形または弾性変形といいます。木材には弾性があるだけでなく、可塑性もあります。湿気によるストレスと変形が続くと、高温多湿の空気の作用により、木材の外層または内層が塑性変形します。水分が均一に分散されると、塑性変形した部分は固定され、元の大きさには戻りません。また、収縮するはずのサイズまで縮小して応力の一部を維持することもできません。この変形を残留変形といい、この応力を残留応力といいます。
木材内部の含水応力と残留応力の和が木材の全応力となります。
木材の乾燥過程において、木材の乾燥の品質に影響を与えるのは総応力です。乾燥プロセスが終了した後も、木材の品質に影響を与え続けるのは残留応力です。木材の品質を確保するには、この２つの応力は小さいほど良い。
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