Analysis of the mechanical properties of Caixeta wood in relation to moisture content variations: Implications for ABNT NBR 7190:2022

تُعد الأخشاب مادة بناء رائعة، فهي تحظى بتقدير كبير لقدرتها على تحمل الأحمال الثقيلة مع بقائها خفيفة بما يكفي لرفعها باليد. هذه النسبة العالية من القوة إلى الوزن تجعلها مثالية لبناء كل شيء، بدءاً من الإطارات البسيطة وصولاً إلى العوارض الهندسية المعقدة. ومع ذلك، فإن الخشب ليس مادة استاتيكية مثل الفولاذ أو الخرسما؛ بل هو مادة حية تتنفس وتتبادل الماء باستمرار مع الهواء المحيط بها. هذه القدرة على امتصاص وإطلاق الرطوبة، والمعروفة بكونها مادة "هيجروسكوبية" (مستقطبة للرطوبة)، تعني أن البنية الداخلية للخشب تتغير مع تغير الطقس. فعندما يمتص الخشب الماء، تتورم أليافه، وتضعف قدرته عموماً على مقاومة الكسر أو الانحناء. ويجب على المهندسين مراعاة هذا السلوك لضمان بقاء الجسور أو المباني الخشبية آمنة طوال عمرها الافتراضي، وذلك عبر تعديل حساباتهم بناءً على مدى رطوبة أو جفاف الخشب المتوقع.

في البرازيل، توجد مجموعة محددة من القواعد المعروفة باسم ABNT NBR 7190:2022 التي توجه كيفية تصميم المهندسين باستخدام الأخشاب. توفر هذه القواعد نقطة مرجعية معيارية، بافتراض أن الخشب سيُستخدم عند محتوى رطوبة يبلغ 12 بالمائة. وإذا كان الخشب أكثر رطوبة أو جفافاً من ذلك، فإن الكود يقدم طريقة رياضية لتقدير مدى قوة أو ضعف الخشب. يعمل الكود أساساً كمترجم، حيث يحول القياسات المأخوذة في المختبر إلى قيم يمكن استخدامها بأمان في أعمال البناء. ولكن لكي يعمل هذا الترجمة بشكل مثالي، يجب أن تعكس القواعد بدقة كيف تتصرف أنواع الأخشما المختلفة بالفعل. وبينما يعمل الكود بشكل جيد مع العديد من الأنواع، إلا أن هناك حاجة متزايدة للتحقق مما إذا كانت هذه التعديلات المعيارية تنطبق حقاً على الأخشاب الاستوائية المتنوعة والفريدة الموجودة في الأمازون ومناطق أخرى من البرازيل.

هذا هو السؤال الذي سعى نيكولاس فريتاس وفرانسيسكو روكو من جامعة ساو باولو للإجابة عليه. فقد ركزا على نوع معين من الأشجار الاستوائية يسمى "كايكيتا" (caixeta)، والمعروف علمياً باسم Simarouba amara. يكتسب هذا النوع اهتماماً لقدرته على الاستخدام في التطبيقات الإنشائية، بما في ذلك إنتاج الخشب الرقائقي المصفح (glued laminated timber)، وهو نوع من الخشب الهندسي المصنوع عن طريق ربط الطبقات معاً. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان الكود البرازيلي القياسي يتنبأ بشكل صحيح بكيفية أداء خشب "الكايكيتا" عندما يكون رطباً، وتحديداً عندما يكون قريباً من نقطة تشبع الألياف. ونقطة التشبع هذه هي اللحظة التي تكون فيها جدران خلايا الخشب ممتلئة تماماً بالماء، ولكن لا يوجد ماء حر في المساحات المفتوحة بين الخلايا. وبالنسبة لخشب "الكايكيتا"، وجد الفريق أن هذه النقطة تبلغ حوالي 24.25 بالمائة من محتوى الرطوبة.

لاختبار ذلك، جمع الفريق ثلاثة عشر عارضة ضخمة من خشب "الكايكيتا" من مورد في ساو باولو، والتي تم حصادها في ولاية ماتو غروسو. وقاموا بتقطيع هذه العوارض إلى قطع اختبار أصغر، مع ضمان إنشاء مجموعتين من العينات لكل قطعة خشب منفردة: مجموعة جُففت لتصل إلى مستوى رطوبة قياسي قدره 12 بالمائة، ومجموعة أخرى بقيت رطبة بنسبة 25 بالمائة، أي أعلى قليلاً من نقطة التشبع. سمح هذا الإعداد الدقيق للفريق بمقارنة نفس الخشب تحت ظروف مختلفة، مما أزال أي تخمين حول ما إذا كانت الاختلافات ناتجة عن الخشب نفسه أو مجرد تباين طبيعي بين الأشجار. ثم أخضعوا هذه العينات لسلسلة من الاختبارات الصارمة، حيث قاموا بقياس كل شيء، بدءاً من مدى صلابة الخشب وصولاً إلى مقدار القوة التي يمكن أن يتحملها قبل الانكسار في حالات الشد، أو الضغط، أو الانحناء.

كشفت النتائج عن نمط واضح: مع زيادة محتوى الرطوبة، انخفضت الخصائص الميكانيكية لخشب "الكايكيتا" بشكل عام. فقد كان الخشب الأكثر رطوبة بالفعل أضعف وأقل صلابة من الخشب الأكثر جفافاً. ومع ذلك، أصبحت القصة أكثر تعقيداً عندما قارن الباحثون قياساتهم الفعلية بالأرقام التي توقعها الكود الرسمي. فقد اقترحت القواعد المعيارية أن قوة الخشب ستنخفض بمقدار معين مع زيادة رطوبته، لكن الاختبارات الواقعية أظهرت قصة مختلفة. ففي كثير من الحالات، كان الخشب الرطب الفعلي أقوى مما توقعه الكود. فعلى سبيل المثال، عند النظر في قدرة الخشب على مقاومة الانحناء، كانت القيمة التجريبية أعلى بنسبة 16.66 بالمائ % من القيمة المقدرة. وبالمثل، كانت صلابة الخشب في حالة الضغط أعلى بنسبة 12.75 بالمائ % تقريباً مما حسبته الصيغة المعيارية.

ربما كان الاكتشاف الأكثر أهمية يتعلق بكيفية تصنيف هذا الخشب لأغراض البناء. فبناءً على اختباراتهم عند مستوى رطوبة قياسي قدره 12 بالمائ %، حسب الباحثون قيمة قوة محددة وضعت هذه الدفعة من خشب "الكايكيتا" في فئة قوة أعلى، تُعرف باسم D30. كان هذا تحولاً ملحوظاً، حيث يصنف الكود البرازيلي الحالي خشب "الكايكيتا" كنوع من فئة D20، مما يعني أنه أضعف. يسلط هذا التباين الضوء على واقع حاسم: يمكن أن تختلف الأخشاب من نفس النوع بشكل كبير اعتماداً على مكان نموها والدفعة المحددة المستخدمة. قد يكون التصنيف المعياري يقلل من تقدير إمكانات هذا الخشب تحديداً، أو قد يعكس ببساطة نقصاً في البيانات الحديثة والمحددة لهذا النوع.

يخلص البحث إلى أنه بينما توفر عوامل التصحيح المعيارية في الكود البرازيلي خطاً مرجعياً مفيداً، إلا أنها لا تلتقط بدقة سلوك خشب "الكايكيتا" عندما يكون رطباً. فالكود يميل إلى أن يكون متحفظاً، حيث يتنبأ بخسارة أكبر في القوة مما يحدث فعلياً في المختبر. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة لهذا النوع المحدد، قد يتمكن المهندسون من استخدام الخشب بكفاءة أكبر مما تسمح به القواعد الحالية، شريطة توفر بيانات أفضل. ومع ذلك، يشدد المؤلفون بحذر على أن نتائجهم تأتي من دفعة واحدة من الخشب من موقع محدد واحد. وهم يؤكدون أن هذه النتائج لا ينبغي تطبيقها فوراً على جميع أشجار "الكايكيتا" في كل مكان. بدلاً من ذلك، يعد عملهم بمثابة دعوة للعمل لتوسيع قاعدة البيانات من النتائج التجريبية للأنواع الاستوائية الأصلية. فمن خلال جمع المزيد من البيانات من مصادر وكميات خشب مختلفة، يمكن للمجتمع العلمي صقل هذه القواعد، لضمان أن يكون استخدام الخشب الاستوائي في البناء آمناً ومستغلاً لإمكاناته الحقيقية على الوجه الأمثل.