Przedmowa do wydania polskiego

Transkrypt

1 Przedmowa 3 Przedmowa do wydania polskiego Stosowanie konstrukcji drewnianych w Polsce w okresie po drugiej wojnie światowej zostało zahamowane przez ostre przepisy przeciwpożarowe i zarządzenia o oszczędności drewna. Dopiero w latach 70-tych XX wieku powrócono do konstrukcji drewnianych, budując wytwórnię wielkowymiarowych konstrukcji klejonych warstwowo i kilka wytwórni budynków drewnianych a także szerzej stosując konstrukcje drewniane w budownictwie rolniczym. W latach 90-tych powstała druga wytwórnia konstrukcji drewnianych klejonych i kilka systemowego budownictwa szkieletowego. Stąd aktualnie projektanci konstrukcji coraz szerzej sięgają po ten materiał. Literatura techniczna dotycząca konstrukcji drewnianych w Polsce jest dość uboga (w przeciwieństwie do literatury dotyczącej konstrukcji żelbetowych lub metalowych). Stąd powstał pomysł przetłumaczenia książki niemieckiej, opracowanej w 1994 roku, gdy nie przyjęto jeszcze norm europejskich. Książka bazuje więc na normie DIN 1052 z kwietnia 1988 roku, która w Niemczech zostanie zastąpiona nową normą opartą na postanowieniach Eurokodu 5 (obecnie powstał projekt E DIN 1052:2000) Mając jednak na uwadze szerokie informacje zamieszczone w książce, zwłaszcza dotyczące stosowanych w praktyce zasad konstruowania elementów i złączy, wydawnictwo postanowiło wydać ją, nie czekając na zmianę normy DIN, tym bardziej, że przez kilka lat po przyjęciu Eurokodu 5 w krajach Unii będą obowiązywały również normy narodowe. W celu przybliżenia książki dla polskiego czytelnika dodano dodatkowy rozdział 24, w którym zawarto podstawowe informacje o zasadach projektowania konstrukcji według PN-B-03150:2000 (opartej na Eurokodzie 5-ENV, 1993) i dokonano przeliczeń przykładów zawartych w rozdz. 23 wg normy polskiej. Książka w tej wersji może być przydatna zarówno dla studentów wydziałów budownictwa jak i inżynierów, zajmujących się projektowaniem i wykonywaniem tego typu konstrukcji budowlanych. Po wejściu do stosowania nowej normy DIN, opartej na EN (obecnie opracowano pren ) koniecznym będzie zastosowanie odpowiednich nowych wzorów i danych z tablic i rysunków, natomiast sposoby konstruowania i algorytmy obliczeniowe pozostaną raczej bez zmian. W przedstawionej wersji książka może być również przydatna dla inżynierów współpracujących z firmami niemieckimi. Redakcja polska Przedmowa do wydania niemieckiego Podręcznik ten jest przeznaczony dla studentów budownictwa i architektury na politechnikach, uniwersytetach i wyższych szkołach inżynierskich oraz dla inżynierów budownictwa i architektów jako pomoc w ich praktyce zawodowej. Opracowanie zakłada, że czytelnik zapoznał się wcześniej ze Statyką prętowych konstrukcji nośnych", Wytrzymałością materiałów" lub Konstrukcjami nośnymi". Książka była pierwotnie planowana jako praca wspólna z prof. dr inż. Elmarem Krabbe, wykładowcą w wyższych szkołach inżynierskich w Munster i Recklinghausen, na Ruhr-Universitat w Bochum i RWTH 1 w Akwizgranie, moim, niestety przedwcześnie zmarłym wykładowcą, którego wykłady i prace były drogowskazem dla tego opracowania. Powstała książka oparta jest na 1 Rheinisch Westfalische Technische Hochschule - Politechnika Nadrenii Westfalii (przypis redakcji polskiej).

2 własnych wykładach i ćwiczeniach prowadzonych na Ruhr-l)niversitat w Bochum i Wyższej Szkole Inżynierskiej w Munster. Bazując na normie DIN 1052, część 1 i 2 (kwiecień 1988 r.) i objaśnieniach do niej przedstawiłem w sposób możliwie zrozumiały i najczęściej prosty istotne zagadnienia budownictwa drewnianego. Rozdziały wstępne wprowadzają wyczerpująco podstawy fizyczne i technologiczne. Część główna książki poświęcona jest obliczeniom i wymiarowaniu konstrukcji nośnych i usztywniających z drewna i materiałów drewnopochodnych. Liczne przykłady obliczeń i wymiarowania konstrukcji pogłębiają zdobytą wiedzę i umiejętności praktyczne i ukazują czytelnikowi na studiach i w praktyce zawodowej zastosowanie przedstawionych reguł obliczeniowych przy projektowaniu i wykonywaniu konstrukcji drewnianych. Zakres podręcznika, który wprowadza podstawy i rozszerza temat, narzucił autorowi ograniczenia w wyborze materiału i jego prezentacji. Toteż takie zagadnienia jak Domy drewniane - budowa płytowa" (DIN 1052, część 3), Mosty drewniane" (DIN 1074), Rusztowania i oszalowania drewniane" oraz Budowa masztów drewnianych" zostały świadomie pominięte. Zarys tej książki został ustalony po ukazaniu się normy DIN 1052 (kwiecień 1988 r.), gdy harmonizowanie europejskich norm dotyczących miedzy innymi budownictwa drewnianego nie nabrało jeszcze dzisiejszej dynamiki. Ze względu na przejrzystość i niezbędne rozróżnienie zrezygnowano z choćby częściowego włączenia do książki nowych sposobów wymiarowania według kodów europejskich. Gotowy już Eurokod 5 Budownictwo drewniane" będzie w niedalekiej przyszłości wprowadzony jako obowiązujący na budowach równolegle z DIN 1052 i innymi normami krajowymi dotyczącymi budownictwa drewnianego. Z tego podręcznika będzie można jednak korzystać jeszcze przez dłuższy czas, do chwili, gdy Eurocod 5 stanie się jedynie obowiązującym. Także potem podręcznik będzie praktyczną pomocą dla studenta, inżyniera i architekta przy obliczeniach statycznych wykonywanych dla konkretnych zastosowań dawniejszymi metodami z użyciem terminologii DIN Szczególne podziękowanie składam wydawnictwu B. G. Teubner, dyrektorowi, panu Heinrichowi Kramerowi i jego współpracownikom za nieustanną wzorową współpracę i nadanie książce wspaniałej formy zewnętrznej. Dziękuję także mojemu przyjacielowi prof. dr inż. Wolfgangowi Kringsowi z Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Kolonii za krytyczne spojrzenie na niektóre fragmenty tej książki. Szczególnie serdecznie dziękuję mojej rodzinie za tak wiele cierpliwości i wyrozumiałości w czasie, gdy pracowałem nad tą książką. Munster, latem 1994 r. Hei mut Neu haus

3 1 Materiał budowlany drewno" Drewno jest naturalnym materiałem wyrosłym z ziemi. Jako drewno określa się na ogół okorowane pnie, gałęzie i korzenie drzew i krzewów. Drewno budowlane jest pozyskiwane z pni określonych drzew iglastych i liściastych, które można wykorzystywać gospodarczo. Pień żyjącego drzewa ma za zadanie podtrzymywać koronę, transportować i gromadzić substancje odżywcze. 1.1 Budowa drewna Drewno składa się głównie ze ściśle ze sobą związanych podłużnych komórek ułożonych równolegle do pnia. W żyjącym drzewie komórki te zapewniają transport wody, przemianę materii i utwardzanie drewna. Historycznie starsze drzewa iglaste mają prostą, regularną strukturę składającą się głównie z komórek jednego rodzaju. Natomiast budowa drzew liściastych jest bardziej złożona; w ich skład wchodzi wiele rodzajów komórek. Strukturę drewna pokazano na rys. 1.1 na przykładzie poprzecznego przekroju pnia drzewa iglastego. Według Kollmanna [175] na makroskopową strukturę drewna składają się głównie: miazga twórcza (warstwa wzrostu) słój roczny (drewno wczesne i późne) biel promień rdzeniowy twardziel Rys. 1.1 Częściowy przekrój pnia drzewa iglastego (schemat) rdzeń Korowina i łyko (tworzą korę) Korowina jest obumarłą, zewnętrzną częścią kory a łyko jest żywą, wewnętrzną częścią kory. Miazga Cienka warstwa żywych komórek, w której odbywa się wzrost drzewa, jest mikroskopijnie mała (makroskopowo niewidoczna) Słoje roczne Składają się z cienkościennego, szerokiego przyrostu wczesnego i przyrostu późnego o grubych ściankach, które w drzewach iglastych jest ciemniejsze niż przyrost wczesny. W drewnie przyrostu wczesnego odbywa się przede wszystkim transport wody (substancje odżywcze). Drewno przyrostu późnego służy utwardzaniu. W klimacie umiarkowanym wzrost rozpoczyna się na wiosnę (kwiecień, maj) dając drewno wczesne i kończy się późnym latem (sierpień, wrzesień) dając drewno późne. Przerwanie wzrostu w zimie powoduje powstanie na ogół dobrze widocznej linii granicznej pomiędzy drewnem wczesnym i późnym, która oddziela słoje roczne.

4 W klimacie tropikalnym drzewo rośnie w dwóch porach roku: deszczowej i suchej. Drewno z wiecznie zielonych drzew tropikalnych nie ma słojów rocznych, bo wzrost drzew odbywa się bez przerw. Ilość słojów rocznych w dolnej części pnia odpowiada wiekowi drzewa. Biel Żywa, zewnętrzna warstwa drzewa, w której odbywa się transport wody. W niektórych gatunkach jaśniejsza i bardziej miękka niż twardziel. Twardziel Stara, przeważnie obumarła warstwa drewna wokół rdzenia. Tworzenie twardzieli w niektórych gatunkach drzew rozpoczyna się w wieku lat, gdy biel może już sama zapewnić transport wody. W obumarłych komórkach odkładają się barwniki, garbniki, żywice i tłuszcze. Komórki są przez nie blokowane i nie mogą już transportować wody. Substancje znajdujące się w twardzieli nadają jej ciemniejszy kolor i powodują, że jest twardsza, bardziej wytrzymała i mniej się kurczy niż biel. Promienie rdzeniowe Są to ułożone promieniowo rurki" o bardzo małym przekroju, często widoczne tylko jako paski. Komórki te przejmują transport w kierunku prostopadłym do kierunku wzrostu i gromadzą substancje odżywcze. Promienie rdzeniowe, które biegną od rdzenia do kory, powstają na początku wzrostu drzewa. Rdzeń (rurka rdzeniowa) Jest to mała rurka" o niewielkiej wytrzymałości znajdująca się w środku przekroju pnia. Jej średnica w większości gatunków drzew wynosi 1 do 2 mm. Rodzaje drewna można podzielić na trzy grupy w zależności od występowania twardzieli i różnicy kolorów pomiędzy twardzielą i bielą, patrz także: tablica 3.1. Drewno rdzeniowe Biel i twardziel mają różne kolory (widoczna granica) jak w sośnie, modrzewiu, dębie. Drewno o twardzieli niezabarwionej Biel i twardziel mają ten sam kolor. Twardziel jest bardziej dojrzała i zawiera mniej wody niż biel, jak w świerku, jodle, buku zwyczajnym. Drewno bielaste. Nie tworzy twardzieli, na przykład brzoza. Drewno drzew liściastych dzieli się na dwie grupy w zależności od wielkości porów i naczyń oraz ich położenia na przekroju pnia. Drewno liściaste o porach pierścieniowych tworzy szersze naczynia przeważnie w drewnie wczesnym i o wiele węższe naczynia w drewnie późnym; większe naczynia są najczęściej dobrze widoczne i leżą pierścieniowo na przekroju, jak w drewnie dębowym. Drewno liściaste o porach rozproszonych tworzy naczynia o zbliżonej wielkości w drewnie wczesnym i późnym lub naczynia, które w drewnie późnym są nieznacznie mniejsze. Rozkład naczyń jest prawie równomierny na całym przekroju, jak w drewnie bukowym. Skład chemiczny różnych rodzajów drewna według analizy elementarnej jest przeważnie jednakowy. Poszczególne rodzaje drewna różnią się jednak znacznie udziałem różnych związków chemicznych w masie drewna, parz: tablica 1.1.

5 Tablica 1.1 Skład chemiczny drewna, Kollmann [175], Fengel/Grosser [67], i Wesche [353] Analiza elementarna drewna suchego. Dane w % masy Związki chemiczne w drewnie suchym. Dane w % masy Węgiel 48 do 51 Celuloza 29 do 65 Tlen 43 do 45 - w drewnie budowlanym ' 38 do 58 Wodór 5 do 6 Hemiceluloza 20 do 40 Azot 0,04 do 0,26 Lignina 12 do 38 Substancje mineralne (popiół) 0,2 do 0,6 - w drewnie budowlanym 20 do 31 Różne substancje zawarte w drewnie jak żywice, tłuszcze, woski, garbniki i barwniki nadają dodatkowo różnym rodzajom drewna specyficzne cechy jak zapach, kolor, wytrzymałość, podatność na impregnację, odporność i wiele innych. Składniki te stanowią 2 do 8% masy całej substancji drzewnej. Substancja błon komórkowych (drewno) stanowi głównie połączony układ części nośnej (celuloza) i części łącznej (hemiceluloza, lignina). Budowę drewna można porównać do struktury rurkowej. Taka wiązka rurek ułożona jest równolegle wzdłuż osi pnia, dlatego ma ona w kierunku wzdłużnym zupełnie inne właściwości niż w kierunku poprzecznym. Na przykład poprzecznie można ją łatwo zgnieść lub rozerwać, natomiast w kierunku wzdłużnym ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie i mniejszą na ściskanie. Materiały, w tym drewno, których właściwości zależą od kierunku, nazywamy anizotropowymi. Dalsze informacje o strukturze drewna, patrz: Bosshard [16], Kollmann [175], Kollman/Cóte [176], LIGNUM [210], Móhler [247], Noack- n An łal., u i. mnn / u mrm R ys- 1.2 Wiązka rurek pod rożnymi obciążeniami /Schwab [285], Wesche [353]. wzdłuż i w poprzek włókln 1.2 Anizotropia drewna Drewno jest materiałem anizotropowym i niejednorodnym. Właściwości drewna są przykładem szczególnie wyraźnej anizotropii. Poniżej wyjaśniamy pojęcia związane z tym zagadnieniem: Anizotropowy Materiał jest anizotropowy, gdy jego właściwości zależą od kierunku (są wektorowe), to znaczy że materiał ma w jednym kierunku inne właściwości niż w innym, na przykład wytrzymałość. Typowymi przedstawicielami anizotropowych materiałów budowlanych są drewno i tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami. Izotropowy Materiał jest izotropowy, jeśli jego właściwości są niezależne od kierunku, to znaczy, że są jednakowe we wszystkich kierunkach. Typowym przedstawicielem izotropowego materiału budowlanego jest stal. 1) 1) stal w procesie wytwarzania i przeróbki plastycznej uzyskuje wyraźne własności anizotropowe, które jednak w konstrukcjach budowlanych nie są uwzględniane (przypis redakcji polskiej).

6 Niejednorodny Materiał jest niejednorodny, gdy jego właściwości wzdłuż poszczególnych kierunków zmieniają się, to znaczy, że materiał nie jest cały wypełniony substancją jednego rodzaju. Jednorodny Materiał jest jednorodny, gdy jego właściwości wzdłuż poszczególnych kierunków nie zmieniają się, to znaczy, że cały materiał jest wypełniony substancją jednego rodzaju. Właściwości drewna zależą silnie od anatomicznych kierunków w pniu drzewa. Na rys. 1.3 i 1.4 wyróżniono trzy główne kierunki anatomiczne w pniu, można je zatem przyporządkować trzem osiom głównym, na których naniesiono różne jednostki miary: - oś y w kierunku włókien drewna (wzdłuż włókien) - oś x w kierunku stycznym (w poprzek włókien i równolegle do słojów rocznych) - oś z w kierunku promieniowym (w poprzek włókien i prostopadle do słojów rocznych). (Układ współrzędnych stosowany w statyce konstrukcji prętowych przedstawiono w tablicy 1.16). powierzchnia czołowa przekrój poprzeczny powierzchnia promieniowa przekrój wzdłużny powierzchnia styczna przekrój styczny Rys. 1.3 Kostka drewna o symetrii rombowej Rys. 1.4 Pierwotne położenie kostki drewna w pniu drzewa Ta anizotropia nazywa się anizotropią rombową" w sensie fizyki kryształu Voigta [344], [345]. Hórig [152], [153] przenosi rombowo - anizotropowy układ krystaliczny na materiał budowlany - drewno. Dlatego drewno uznawane jest także za rombowo-anizotropowe. Ponieważ warstwy drewna wczesnego i drewna późnego w obrębie jednego słoja rocznego mają różne struktury, można drewno uznać za jednorodne dopiero wtedy, gdy w rozpatrywanej bryle znajduje się wystarczająco duża ilość słojów. Hórig definiuje pojęcie jednorodności statystycznej". Większość materiałów budowlanych, w tym także drewno, jest uznawana w praktyce za jednorodne, chociaż - ściśle rzecz ujmując - są to materiały niejednorodne. Takie założenie jednorodności jest z punktu widzenia techniki budowlanej dopuszczalne i upraszcza metody obliczeniowe. 1.3 Gęstość drewna Gęstość drewna g definiuje się jako g = rn/v w g/cm 3 lub w kg/m 3 (1.1) gdzie m oznacza masę a V objętość bryły drewna, na którą składają się włókna drewna (błony komórkowe) i pory (miejsca puste).

7 Gęstość drewna według normy DIN podaje się zwykle przy wilgotności drewna, która ustala się po dłuższym składowaniu w warunkach normalnych (T= 20 C= 65% wilgotności względnej powietrza). W tych warunkach drewno pochodzące z Europy Środkowej osiąga wilgotność u = 12%, patrz: tablica 1.3. Gęstość sprowadzoną do warunków normalnych oznacza się Q n, gęstość drewna całkowicie suchego q o. Gęstość samej substancji komórkowej, bez porów jest według Kollmanna [175] prawie jednakowa dla wszystkich rodzajów drewna i wynosi q = 1,5 g/cm 3. Zróżnicowanie gęstości pomiędzy poszczególnymi rodzajami drewna jest wynikiem różnego udziału komórek drewna i porów w rozpatrywanej objętości drewna. Jak pokazano na rys. 1.5, bryła drewna bukowego składa się z około 44% komórek drewna i około 56% porów (miejsc pustych). Najlżejsze rodzaje drewna mają gęstość q = 0,1 g/cm 3 (balsa). Niewielki, około 7% udział komórek drewna w rozpatrywanej objętości całkowicie suchego drewna balsa może być traktowany jako mechaniczna granica stabilności drzewa w stanie naturalnym N/mm z gęstość drewna 0 " kg/m gęstość w stanie całkowicie suchym p Q- Rys. 1.5 Gęstość drewna jako wskaźnik procentowego udziału komórek drewna i porów w objętości drewna w stanie całkowicie suchym, Noack/Schwab [284] Rys. 1.6 Zależność wytrzymałości i modułu sprężystości E drewna świerkowego o wilgotności u = 15% od gęstości Q o(w stanie całkowicie suchym) według badań EMPA, LIGNUM [210] Najcięższe rodzaje drewna mają gęstość g = 1,2 do 1,4 g/cm 3 (Pock, Letternholz). Niewielki, około 7% udział porów (miejsc pustych) stanowi biologiczną granicę zdolności do transportu substancji odżywczych i wody w pniu drzewa. Gęstość zależy nie tylko od rodzaju drewna. Wpływa na nią także wilgotność drewna, szerokość słojów rocznych, położenie w pniu, udział drewna późnego, miejsce w którym drzewo rośnie, wzrost, klimat, wysokość nad poziomem morza i wiele innych czynników, patrz: Bemhardt [10]. Gęstość jest bardzo ważną właściwością fizyczną i technologiczną bo od niej zależy większość innych właściwości drewna (patrz także: rys. 1.6) jak pęcznienie, skurcz, przewodność cieplna, oraz twardość i odporność na ścieranie. 3ęstości najważniejszych rodzajów drewna budowlanego mieszczą się w granicach od Q s = 0,4 g/cm 3 i Q n = 1,0 g/cm 3, niektóre wartości podano w tablicy 1.2.