Ocena możliwości zastosowania drewna z wybranych gatunków drzew liściastych do elementów konstrukcyjnych poddanych zginaniu 2017rok.pdf

(187 KB) Pobierz
Budownictwo 23
DOI: 10.17512/znb.2017.1.36
Henryk Żelazny , Bartłomiej Bednarz
1
2
OCENA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA DREWNA Z WYBRANYCH
GATUNKÓW DRZEW LIŚCIASTYCH DO ELEMENTÓW
KONSTRUKCYJNYCH PODDANYCH ZGINANIU
Wprowadzenie
Trawa, sitowie, trzcina, bambus, kora i drewno to rodzaje materiałów, o których
wiedza historyczna jest ograniczona, ponieważ, w przeciwieństwie do kamienia
czy cegły, wszystkie one łatwo ulegają zniszczeniu. Ale można z nich dużo łatwiej
niż z kamieni czy cegieł zbudować szkielet bądź dach budowli, co czyni je
wszechobecnymi, a w niektórych częściach świata jedynymi materiałami budow-
lanymi [1].
Drewno jako materiał budowlany znane jest od najdawniejszych czasów. Lasy
naturalne i składnice drewniane materiału budowlanego występowały i dotychczas
występują z niewielkimi wyjątkami pod wszystkimi szerokościami geograficzny-
mi. Od zamierzchłych czasów drewno używane było najpierw do budowy prymi-
tywnych szałasów, lepianek i szop, następnie - w miarę organizowania się społe-
czeństwa - do budowy całkowitych obiektów drewnianych pojedynczych bądź też
tworzących całe grody czy osady. W budowlach takich wszystko, począwszy od
fundamentów nieraz, a skończywszy na pokryciu dachowym, było drewniane [2].
Drewno - ten najdawniej znany i używany materiał budowlany, doskonały pod
względem konstrukcyjnym i zdrowotnym - znajduje nie tylko w świecie, lecz
i w Polsce coraz szersze zastosowanie, szczególnie w budownictwie mieszkanio-
wym i użyteczności publicznej. Rozwój budownictwa drewnianego obserwuje się
zwłaszcza w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych, gdzie takie konstrukcje uważa się
za lekkie, ciepłe i tanie, w przeciwieństwie do betonowych, które są ciężkie, zimne
i drogie [3].
Drewno zatem należy do najstarszych materiałów budowlanych, a jego walory
konstrukcyjne oraz szereg właściwości fizycznych i chemicznych stanowią, że ma-
Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Inżynierii Materiałów, Budow-
nictwa i Środowiska, ul. Willowa 2, 43-300 Bielsko-Biała, e-mail: hzelazny@wp.eu
2
Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Inżynierii Materiałów, Budow-
nictwa i Środowiska, ul. Willowa 2, 43-300 Bielsko-Biała, e-mail: bednarz.bartek93@gmail.com
1
358
H. Żelazny, B. Bednarz
teriał ten nie ma sobie równych. Ten cenny surowiec przez obróbkę nie tworzy ma-
teriałów odpadowych. Trociny, kora, gałęzie i strużyny są surowcem do produkcji
płyt budowlanych [4].
Tradycja budownictwa drewnianego w Polsce trwa niezmiennie od czasów pra-
dawnych do współczesnych, a obfitość lasów na terenie Polski i powszechna do-
stępność drewna sprawiły, że materiał ten przez wieki był relatywnie tani [5].
W drewnianych budynkach we wsiach i miasteczkach osiągnięto najwyższy po-
ziom rozwiązań konstrukcyjnych i plastycznych [6]. Drewno ma dużo cennych za-
let, jest lekkie, a przy tym osiąga znaczną wytrzymałość [7]. Ma dobre właściwości
ciepłochronne [6], tłumi i pochłania dźwięki [6], cechuje się korzystnym dla czło-
wieka mikroklimatem [8]. Równie ważną zaletą drewna jest jego odporność na
działanie wpływów chemicznych, np. kwasów (zwłaszcza drewna struganego),
dymu i gazów [9]. Ponadto daje się łatwo transportować [10] (przy małym praw-
dopodobieństwie uszkodzeń podczas tego procesu [11]) oraz obrabiać prostymi na-
rzędziami [6]. Bez trudu można je ciąć, piłować, łupać, gładzić i polerować [7].
Można je łączyć przy użyciu gwoździ, kołków, śrub, kleju i zaciosów ciesielskich
[12]. Dodatkowo odznacza się łatwością demontażu i ponownego montażu [9],
a materiał przy rozbiórce mało się niszczy [11]. Oprócz tych wielu pozytywnych
cech drewno charakteryzuje się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi (na
ściskanie, zginanie i rozciąganie) oraz wyjątkowo korzystnym wskaźnikiem wy-
trzymałości na obciążenia własne [13]. Kolejną zaletą tego surowca jest natych-
miastowa zdolność do przyjęcia maksymalnego obciążenia [14]. Poza tym kon-
strukcje drewniane mogą być montowane niezależnie od pór roku bez specjalnych
zabiegów [4].
Drewno jest jednak materiałem organicznym o budowie komórkowej [15].
Z tego względu jest niejednorodne, ma zmienne cechy fizyczne i mechaniczne,
w zależności od rozpatrywanego miejsca i kierunku. Uwidacznia się to przy po-
równaniu np. wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien (100 MN/m
2
) i rozcią-
ganie w poprzek włókien, które jest 30 razy mniejsze [4]. Równie zmienną cechą
jest trwałość konstrukcji z tego materiału, która zależy od gatunku użytego drewna
i warunków jego eksploatacji. Przeciętnie ocenia się ją na ponad 50 lat i w znacz-
nym stopniu jest ona uzależniona od tego, czy drewno było właściwie wysuszone
oraz zabezpieczone przed insektami [16].
Ponieważ każdy z gatunków drzew charakteryzuje się innymi właściwościami
[17], z wielu różnorodnych gatunków, które występują na Ziemi, tylko niektóre są
używane dla celów budowlanych [18]. Najszersze zastosowanie w budownictwie
mają drzewa iglaste: sosna, świerk i jodła [19] oraz modrzew [4]. Do robót pod-
ziemnych, w warunkach stałej wilgoci, używa się drewna dębowego i olchowego
[20]. Drewno jest materiałem budowlanym stosowanym w konstrukcjach ścien-
nych i dachowych, do produkcji okien i drzwi, układania podłóg, wykańczania
ścian różnego rodzaju okładzinami oraz do wykonywania deskowań konstrukcji
betonowych [21]. Na elementy konstrukcyjne stosuje się przeważnie drewno mięk-
kie drzew iglastych, jak: sosna, jodła, świerk, i drewno twarde drzew liściastych,
Ocena możliwości zastosowania drewna z wybranych gatunków drzew liściastych …
359
jak dąb lub akacja [22], rzadziej topola lub olcha [23]. Do boazerii można zastoso-
wać drewno jesionowe [24, 25].
Jesion (Fraxinus
excelsior)
ma drewno dość ciężkie, wytrzymałe, elastyczne,
które dobrze się obrabia [25]. Jest twarde i trudnołupliwe [7]. Świeże drewno pod
wpływem parzenia daje się łatwo wyginać [25]. Spośród zalet można podkreślić
jeszcze to, że łatwo się poleruje i polituruje, a po wypolerowaniu uzyskuje piękny
połysk, dając bogaty i ozdobny rysunek [7]. Jawor (Acer
pseudoplatanus)
odznacza
się jasnym drewnem, elastycznym i używany jest głównie w stolarstwie, a dawniej
także w kołodziejstwie [26]. Ma bardzo ładny wygląd i z łatwością można je lakie-
rować oraz zmieniać barwę przez bejcowanie. Dąb (Quercus
pedunculata
lub
Quercus sessilifora)
ma drewno twarde i trwałe, o dużej wytrzymałości i odporno-
ści na ścieranie [25]. Odznacza się ono także dużym ciężarem, dużą łupliwością,
łatwo pęka i paczy się [7]. Jego barwa zmienia się wraz z upływem czasu od szaro-
żółtej do brązowej. Buk (Fagus
silvatica)
ma także twarde drewno o znacznej wy-
trzymałości, łatwo się obrabia, łupie i struga, nadaje się do malowania, jest trwałe
w miejscach suchych i gdy znajduje się stale pod wodą [25]. Jasna barwa drewna
z odcieniem żółtawoczerwonym z upływem lat ciemnieje, a po wypolerowaniu
ukazują się na nim błyszczące smugi [7].
Z przedstawionych cech drewna wybranych gatunków drzew liściastych można
bez trudu zauważyć, że odznaczają się one cennymi właściwościami plastycznymi.
Boazerie z drewna jesionowego będą charakteryzować się pięknym połyskiem
i ciekawym rysunkiem słoi. Jaworowe parkiety oraz okładziny będą miały bardzo
ładny wygląd i będą podatne na lakierowanie. Posadzki i boazerie, ale także meble
z drewna dębowego dodadzą wnętrzu klasyki i piękna. Klepka podłogowa z drew-
na bukowego o różowawym kolorze może stanowić element wystroju pomieszcze-
nia. Wymienione dla tych gatunków zalety odnoszące się do wrażeń wizualnych
bez wątpienia mogą odegrać istotną rolę w aranżacji zamkniętej przestrzeni miesz-
kalnej lub użyteczności publicznej. Dodatkowe wartości estetyczne można uzy-
skać, stosując stropy nagie lub z pułapem, w których odkryte od spodu belki będą
formą rytmiczną jako elementem kompozycji architektonicznej. W takich przypad-
kach wyroby wykończeniowe (posadzki, okładziny) i elementy nośne przekrycia
mogą lub powinny być wykonane z tego samego gatunku drewna.
Celem pracy było sprawdzenie wytrzymałości na zginanie i ścinanie w poprzek
włókien wybranych gatunków powszechnie stosowanego, tradycyjnego, uniwer-
salnego oraz proekologicznego materiału budowlanego, jakim jest drewno, to zna-
czy jesionu, jaworu, dębu i buku, które w ramach jednolitej aranżacji wnętrza mo-
głyby być wykorzystane w widocznych elementach belkowych o podwyższonych
walorach estetycznych.
1. Materiał i metody
Ocenę cech wytrzymałościowych drewna jesionowego, jaworowego, dębowego
i bukowego o wilgotności równowagowej wykonano w specjalistycznym laborato-
rium Bielskiego Centrum Kształcenia Ustawicznego i Praktycznego na maszynie
360
H. Żelazny, B. Bednarz
Zwick Roell (rys. 1). Badania wytrzymałości na zginanie oraz na ścinanie w po-
przek włókien przeprowadzono na próbkach o normowych kształtach i wymiarach.
W każdym oznaczeniu wytrzymałości doraźnej jako wartość miarodajną uznawano
średnią arytmetyczną z trzech powtórzeń. Przebieg pomiarów zobrazowano na
wykresach z zaznaczonymi wartościami średnimi z obciążeń niszczących i od-
kształceń.
Wytrzymałość doraźną na zginanie wyznaczono z zależności:
f
m,D
= 3F
max
·l
d
·(2b·h
2
)
‒1
[MPa]
(1)
gdzie:
F
max
- siła niszcząca [N],
l
d
- rozstaw podpór [mm],
b - szerokość próbki [mm],
h - wysokość próbki [mm].
Wytrzymałość doraźną na ścinanie w poprzek włókien obliczono następująco:
f
v,90,D
= F
max
·(a·b)
‒1
[MPa]
gdzie:
F
max
- siła niszcząca [N],
a - wymiar próbki w kierunku promieniowym [mm],
b - wymiar próbki w kierunku stycznym [mm].
(2)
Rys. 1. Stanowisko do badań wytrzymałościowych próbek jesionu na maszynie Zwick
Roell w specjalistycznym laboratorium Bielskiego Centrum Kształcenia Ustawicznego
i Praktycznego
Ocena możliwości zastosowania drewna z wybranych gatunków drzew liściastych …
361
2. Wyniki i ich omówienie
Na rysunku 2 zamieszczono wykres rozkładu siły niszczącej i odkształcenia
w badaniu zginania próbek z drewna jesionowego. Średnia wytrzymałość doraźna
(wzór (1)) wyniosła 109,35 MPa. Ponieważ na podstawie licznych pomiarów prze-
prowadzonych w różnych krajach wyraźnie stwierdzono, że wartość obciążenia
trwałego, przy którym następuje zniszczenie próbki drewna, jest znacznie mniejsza
niż obciążenia doraźnego, którego wartość zależna jest od szybkości obciążenia
[11], nie można zatem uzyskanego wyniku wprost porównać z normową wytrzy-
małością charakterystyczną. Można jednak przyjąć w oparciu o badania różnych
autorów, że długotrwała wytrzymałość drewna stanowi 0,5÷0,6 wytrzymałości do-
raźnej, określanej na podstawie badań próbek znormalizowanych [11, 27]. Gdyby
zatem założyć, że wytrzymałość charakterystyczna to 50 do 60 procent z otrzyma-
nej w doświadczeniu wartości doraźnej, należałoby oszacować dla jesionu wy-
trzymałość charakterystyczną w zakresie 54,68÷65,61 MPa, co odpowiada normo-
wym klasom dla drewna liściastego między D50 a D70. Z tego względu otrzymane
wyniki upoważniają do przyjęcia stanowiska o wystarczającej wytrzymałości je-
sionu na zginanie, aby można go było zastosować w elementach belkowych, na
przykład w nagich stropach z widoczną od spodu konstrukcją nośną, która może
harmonizować wykończeniem powierzchni z wykonanymi z jesionu elementami
okładzinowymi we wnętrzu. W pracy [28], w której powołano się na dwa inne źró-
dła, wytrzymałość na zginanie próbki tego gatunku o wilgotności 15% określono
na 99 MPa, a w innym doniesieniu [7] na 100 MPa, czyli w pobliżu wartości
uzyskanych na podstawie przeprowadzonych badań.
Rys. 2. Kształtowanie się średnich wartości siły zginającej próbki jesionowe
w odniesieniu do odkształceń badanego elementu

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin