Andrzej Marynowicz. Konstrukcje budowlane Budownictwo drewniane

Transkrypt

1 Andrzej Marynowicz Konstrukcje budowlane Budownictwo drewniane

2 Podstawowa literatura przedmiotu: [1] Kotwica J.: Konstrukcje drewniane w budownictwie tradycyjnym, Arkady, Warszawa 2004 [2] Neuhaus H.: Budownictwo drewniane, PWT, Rzeszów 2006 [3] Rudziński L.: Konstrukcje drewniane. Naprawy, wzmocnienia, przykłady obliczeń, Pol. Święt., Kielce 2008 Literatura uzupełniająca: [4] Kopkowicz F.: Ciesielstwo polskie, Arkady 2009 (reprint z 1958r.) [5] Wajdzik C., Dąbrowski J.: Tradycyjne więźby dachowe, WUP, Wrocław 2009 [6] Hoła J., Pietraszek P., Schabowicz K.: Obliczanie konstrukcji budynków wznoszonych tradycyjnie, DWE, Wrocław 2006 Strona internetowa: [1] Konstrukcje drewniane, Projekt Leonardo TEMTIS, Opole 2008 [2] Projektowanie konstrukcji drewnianych wg Eurokodu 5, Projekt Leonardo TEMTIS, Opole 2008

3 Drewno klejone Wykład nr 4

4 Konstrukcyjne drewno klejone (albo glulam) jest jednym z najstarszych drewnianych produktów inżynierskich i jest wciąż bardzo konkurencyjny w nowoczesnych konstrukcjach. Glulam składa się z drewnianych desek, które są sklejone razem tak, że otrzymują formę belki o pożądanym przekroju poprzecznym. laminowanie poziome połączenie podłużne klinowe laminowanie pionowe

5 Konstrukcje klejone są stosowane od lat (Egipcjanie!), ale przełom dla glulamu nastąpił na początku wieku XX-go, dzięki Niemcowi o nazwisku Otto Hetzer. W 1906 roku uzyskał patent na swój wynalazek zakrzywionych, klejonych drewnianych części, zbudowanych z kilku laminatów, które są składane pod ciśnieniem i nierozerwalnie połączone klejem kazeinowym. Hetzer opracował unikalną metodę, wskutek czego naturalne wymiary drzewa mogły być "przezwyciężone", co pozwoliło na budowanie dużych i trwałych konstrukcji. Do początku lat sześćdziesiątych XXw., produkcja była raczej niewielka, ale od tej pory ciągle rośnie, głównie z powodu postępów w technologii produkcji oraz unowocześniania klejów, które doprowadziły i ciągle prowadzą do efektywniejszej eksploatacji tego naturalnego materiału

6

7

8 Drewno klejone jest produkowane przez klejenie i łączenie oddzielnych kawałków drewna laminatów w kontrolowanych warunkach. Laminaty są układane w poziomych warstwach z włóknami w kierunku podłużnym, w przeciwieństwie do tzw. CLT, gdzie włókna są ułożone na przemian równolegle i prostopadle. Proces produkcyjny glulamu, w połączeniu ze współczesnymi technikami klejenia, czyni z niego materiał konstrukcyjny z wysokiej jakości z wyjątkowymi cechami. W porównaniu do litego drewna, elementy z glulamu osiągają większą wytrzymałość i sztywność. Mogą być wytwarzane w prawie każdym kształcie i rozmiarze.

9 Proces produkcji kłody świerkowe cięcie suszenie segregacja wytrzymałościowa łączenia klinowe planowanie aplikacja kleju docisk planowanie pakowanie

10 Proces produkcji W zasadzie, do produkcji glulamu może być użyty jakikolwiek gatunek drewna, pod warunkiem, że zostanie użyty odpowiedni klej. Jednakże, w praktyce są stosowane głównie drewna miękkie, gdyż wykorzystanie twardych gatunków często jest powiązane z trudnościami w ich sklejaniu. Powszechnie używanym materiałem jest świerk.

11 Proces produkcji Wysuszone laminaty są sortowane wizualnie albo, coraz częściej, maszynowo wg klas wytrzymałości. Wykorzystanie maszyn pozwala na dokładniejsze sortowanie, które pozwala na osiągnięcie wyższych wytrzymałości glulamu. Klasyfikacja wytrzymałościowa pozwala dla tworzenie przekroju poprzecznego glulamu z laminatów o zbliżonych wytrzymałościach, tak nazwany glulam homogeniczny. Aby wykorzystać wytrzymałość drewna maksymalnie, umieszcza się zazwyczaj wyższej jakości laminaty w najdalszych częściach przekroju poprzecznego, gdzie naprężenia zwykle są najwyższe, a niższej jakości laminaty w strefach wewnętrznych, tworząc tzw. glulam złożony. W wytwórni trzeba dlatego mieć możliwość składowania przynajmniej dwóch klas jakości laminatu w tym samym czasie

12 Proces produkcji Laminaty łączy się wzdłużnie za pomocą wczepów klinowych, aby wytworzyć laminat ciągły. Połączony tak profil jest cięty i pokrywa się je klejem. Laminaty są następnie ściskane razem, a następnie cięte na wymagane długości i przechowane minimum osiem godzin do wyschnięcia kleju. Po wyschnięciu laminaty są heblowane (planowane), aby usunąć pozostającą chropowatą powierzchnię i nierówności połączeń klinowych. Laminaty są następnie natychmiast ułożone na sobie, z włóknami wzdłuż kierunku elementu, i sklejone razem do uzyskania pożądanego przekroju poprzecznego. Przy glulamie złożonym należy zwrócić uwagę na położenie wewnętrznych i zewnętrznych laminatów. Aby zredukować naprężenia wewnętrzne laminaty są ustawiane tak, że strony odrdzeniowe biegną wzdłuż tej samej drogi w przekroju poprzecznym. Zewnętrzne laminaty są, jednakże, zawsze obrócone stroną dordzeniową (wewnętrzną) na zewnątrz.

13 tu skan str. 143 K Proces produkcji

14 Proces produkcji Zestaw laminatów przechodzi następnie przez stanowisko z klejem, oraz przykładane jest odpowiednie ciśnienie. Operacja ta musi być przeprowadzona zanim klej stwardnieje, po ok. godzinie, zaś dokładny czas zależy od typu kleju i temperatury otoczenia. Laminaty mogą być zakrzywiane w czasie przyłożenia nacisku, co pozwala na stworzenie ich form profilowanych albo zakrzywionych. Następnie klej twardnieje w warunkach kontrolowanej wilgotności i temperatury (zwykle przy wilgotności względnej 65% i temperaturze 20 C), czasami z większym stopniem nagrzania. Proste belki mogą być wytwarzane w prasach ciągłych z dużą częstotliwością.

15 Proces produkcji Gdy klej stwardnieje, ciśnienie jest zwolnione i części z glulamu są heblowane na bokach, w celu usunięcia wyciśniętego kleju i utworzenia gładkiej powierzchni. Następuje wtedy wykańczanie części, które obejmuje różne zabiegi i prace przed-montażowe (np. precyzyjne piłowanie, wiercenie otworów do połączeń, nakładanie powłok). Na koniec, elementy są kontrolowane wizualnie i oznaczane przed opakowaniem i załadunkiem do transportu na plac budowy albo do przechowalni wyrobów gotowych. Teoretycznie, element klejony może być wytworzony w prawie każdym rozmiarze. W praktyce, jego wielkość jest ograniczona możliwościami transportowymi i wytwórczymi. Innym ograniczeniem jest czas otwarcia kleju

16 Wytrzymałość i sztywność Decydująca dla wytrzymałości drewna konstrukcyjnego jest wytrzymałość jego najsłabszego przekroju poprzecznego zazwyczaj przy sęku itp. Dlatego też różnica pomiędzy elementami jest znacząca. W belce z glulamu laminaty z różnymi wytrzymałościami są przemieszane i ryzyko, że kilka laminatów z wadami głównymi wystąpi w tej samej belce jest minimalne. Rozdział obciążenia miedzy laminatami w glulamie pozwala lokalnym słabym strefom redystrybuować naprężenia do graniczących regionów silniejszych

17 Efekt rozmiaru i masy Belki z glulamu, które są badane w warunkach laboratoryjnych, wykazują silne zniszczenia kruche, zwykle spowodowane przez sęk lub połączenie wczepowe po stronie rozciąganej. Ponieważ prawdopodobieństwo, że belka zawiera defekt, zdolny do spowodowania awarii rośnie ze wzrostem objętości belki, wytrzymałość dużych belek przejawia tendencję do bycia niższą niż belek małych. Zrealizowano wiele badań "efekt rozmiaru", aby ustalić zależność wytrzymałości glulamu od jej objętości. k h = 600 h 0,1 1.1 współczynnik rozmiaru wg EC5 W porównaniu do swojej masy, glulam jest bardziej wytrzymały niż stal. Duże rozpiętości są możliwe do realizacji dzięki dużemu stosunkowi wytrzymałości do masy. Oznacza to, że belki z glulamu mogą pokonywać duże rozpiętości z minimalną ilością podparć pośrednich.

18 Kleje Do produkcji glulamu konstrukcyjnego, używane są tylko zatwierdzone kleje z wysoką wytrzymałością i dobrą trwałością. Wymogi podane są w EN 301, która klasyfikuje dwa typy klejów (I i II). Kleje typu I mogą być użyte do konstrukcji z glulamu w dowolnej klasie klimatycznej, podczas gdy kleje typu II są ograniczone do klas klimatu 1-2. Tradycyjnie stosowane są kleje fenolowo-rezorcynowo-formaldehydowe (PRF), które tworzą ciemne czerwonobrunatne połączenie. W ostatnich latach, jednakże, staje się coraz więcej powszechne wykorzystanie klejów melaminowo-urea-formaldehydowych (MUF), głównie z powodu jasnego koloru powstałego połączenia. Zarówno PRF, jak i MUF, należą do klejów typu I, który jest przyjęty do użytku w dowolnej klasie klimatu, tj. wewnątrz jak i na zewnątrz. Również kleje poliuretanowe (PU) są zatwierdzone do glulamu. Kleje PU są zaklasyfikowane do typu II i tworzą bezbarwne połączenia

19 Opłacalność i gospodarowanie zasobami Glulam jest, w odniesieniu do opłacalności, konkurencyjny względem innych materiałów konstrukcyjnych. Niższa jego masa upraszcza transport i obniża koszty wznoszenia oraz wykonania fundamentów. Ponadto, elastyczna produkcja glulamu umożliwia wytwarzanie zakrzywionych elementów konstrukcyjnych taniej, niż w przypadku innych materiałów Jeśli celem jest optymalizacja produktów z dobrze zarządzanego źródła surowca, glulam jest materiałem najlepiej zużywającym zasoby naturalne. Z jednej strony, wyższa wytrzymałość i mniejsza jej zmienność w porównaniu do litego drewna, a z drugiej strony możliwość realizacji dowolnej konstrukcji oznacza wydajniejsze wykorzystania materiału

20 Asortymenty Praktycznie rzecz biorąc, mogą być wytworzone różne przekroje, zależnie od wytrzymałości i wymogów sztywności. Powszechnie używane przekroje są prostokątami, które mogą mierzyć nawet 2m, ale można tez stworzyć wiele innych ich typów, obejmujących przekroje typowe oraz robione na zamówienie. Most Leonardo da Vinci w Ås

21 Konstrukcyjne zastosowanie glulamu Zasady klejenia warstwowego drewna były znane od czasu wczesnych Egipcjan, gdzie metoda służyła do produkcji drewnianych sarkofagów. W dziewiętnastym wieku ludzie zaczęli używać drewna klejonego warstwowo jako element konstrukcyjny w budynkach. Prawdopodobnie najstarszą konstrukcja, w której jest użyty glulam, jest aula w King Edward College w Southampton, zbudowany w 1860r. Kratownica dachowa tej hali wykonana jest z łukowych belek klejonych. W późniejszym czasie konstrukcje z glulamu odniosły sukces głównie w halach o dużych rozpiętościach. Za życia Otto Hetzera zbudowano wiele budynków z użyciem glulamu, takie jak hale sportowe, festiwalowe, magazyny, hangary lotnicze, kościoły i inne, które często są w użyciu do dzisiaj.

22 Konstrukcyjne zastosowanie glulamu Jednakże potencjał techniki laminacji nie był w pełni wykorzystany. Zastosowania były ograniczone do warunków suchych aż do czasu, gdy po drugiej wojnie światowej opracowano wodoodporne kleje z żywic syntetycznych. Pozwoliło to na wykorzystanie drewna klejonego warstwowo w mostach i innych aplikacjach zewnętrznych. W latach 70-ych XXw., rozwinięto techniki wytwarzania belek zakrzywionych i powstały nowoczesne wytwórnie wielkowymiarowe do produkcji dużych elementów. Zrewolucjonizowało to dostępność i koszty glulamu i dało prawie nieograniczony potencjał, który umożliwił wykorzystanie glulamu w szerokim zakresie zastosowań

23 Konstrukcyjne zastosowanie glulamu Obecnie, glulam zyskał reputację materiału budowlanego w konstrukcjach hal o rozpiętościach ponad 100m. W Europie, na przykład, glulam rywalizuje z powodzeniem z innymi materiałami konstrukcyjnymi w konstrukcjach jednopiętrowych, fabrykach, centrach handlowych, magazynach, terminalach lotniczych, itp. Glulam jest szczególnie odpowiedni w sytuacjach, gdy jego estetyczny wygląd daje przewagę nad innymi materiałami konstrukcyjnymi. Ponadto, można otrzymać prawie każdy kształt, taki jak np. dach domu słonia w zoo w Kolonii.

24 Konstrukcyjne zastosowanie glulamu W USA, Europie Środkowej i Skandynawii, glulam zdobywa coraz większą popularność w nowoczesnych konstrukcjach mostowych, szczególnie w mostach dla ruchu pieszego i rowerowego, jak również w ograniczonym zakresie, dla mostów drogowych. Zakrzywione elementy z glulamu mogą być użyte do wytworzenia różnych efektów estetycznych i specjalnych typów mostów. Przykładem takiego mostu drogowego jest Europabrücke w Murau w Austrii, zbudowany w 1993r, który jest zbudowany z glulamu, z betonowym pokładem.

25 Dziękuję za uwagę