W badaniach określono jakości pozyskiwanych elementów konstrukcyjnych z tarcicy sosnowej do produkcji konstrukcji drewnianych. Praca obejmowała porównanie właściwości wytrzymałościowych i jakościowych surowca w odniesieniu do właściwych norm przedmiotowych z uwzględnieniem  przedziałów wymiarowych półfabrykatów. Dla celów porównawczych badanych belek wielkowymiarowych odniesiono  uzyskane wyniki do próbek modelowych zgodnych z właściwymi normami. Stwierdzono niższe wartości wytrzymałości na zginanie i niższy moduł sprężystości niż wykazywały to badania porównawcze na małych próbkach.

WIERUSZEWSKI MAREK, GOTYCH VIKTOR, HRUZIK GINTER J., GOŁUŃSKI GRZEGORZ

Streszczenie:

JAKOŚĆ SOSNOWYCH ELEMENTÓW KLEJONYCH DLA BUDOWNICTWA SZKIELETOWEGO

1. Wstęp

     Drewno, jako materiał budowlany stosowany od stuleci w procesie użytkowania i wykonywania konstrukcji jest jedynym surowcem w pełni odnawialnym. Aby drewno mogło efektywnie konkurować z innymi materiałami budowlanymi, producenci drewna konstrukcyjnego zobowiązani są sprostać co raz to większym wymaganiom jakościowym stawianym wszelkiego rodzaju wyrobom. Nadrzędna sprawą jest klasyfikacja tarcicy która ułatwia projektowanie i charakterystykę konstrukcji drewnianych.

     Dla tarcicy konstrukcyjnej stosuje się klasy jakości wytrzymałościowej. Nowa norma europejska PN-EN 338:2003 „Drewno konstrukcyjne. Klasy wytrzymałości” zawiera dwanaście klas tarcicy konstrukcyjnej od C14 do C50 co odpowiada drewnu wytrzymałość na zginanie od 14 do 50 MPa.. Zgodnie z EN 338:1995 lub PN-EN 338:1999 polskie klasy wytrzymałości tarcicy odpowiadają europejskim klasom jakości następująco: K21 ≈ C24, K27 ≈ C30, K33 ≈ C35, K39 ≈ C40. Nowelizacja normy PN-81/B-03150 stwierdza iż pozostałe klasy nie znalazły zastosowania w polskich warunkach(W. Dzbeński, P. Kozakiewicz, S. Krzosek 2005).

     Dla drewna klejonego warstwowo według PN-EN 1194:2000 „Konstrukcje drewniane. Drewno klejone warstwowo. Klasy wytrzymałości i określenie wartości charakterystycznych” w zależności od wytrzymałości na zginanie, wyróżnia się cztery klasy: GL 24, GL 28, GL 32, GL. Drewno klejone warstwowo jest to element konstrukcyjny utworzony poprzez zestawienie warstw tarcicy równolegle do przebiegu włókien (PN-EN 1194:2000).

     Moduł sprężystości czyli zależność pomiędzy naprężeniem - siłą przypadającą na powierzchnię i odkształceniem (wydłużeniem względnym) jest podstawą wytrzymałości materiałów. Wraz z jego wzrostem rośnie techniczna wartość materiałów konstrukcyjnych. Anizotropia drewna powoduje że posiada ono różne moduły sprężystości w kierunku podłużnym, promieniowym i stycznym. Moduł można określać podczas prób ściskania, rozciągania, ścinania, zginania itp. Najczęściej wyznacza się podczas próby zginania statycznego. Stanowi to podstawę do porównawczej oceny wartości technicznej drewna.

2. Cel, metodyka i opis przeprowadzonych badań

     Celem badań było określenie jakości pozyskiwanych elementów konstrukcyjnych z tarcicy sosnowej do produkcji konstrukcji drewnianych. Praca obejmowała porównanie właściwości wytrzymałościowych i jakościowych surowca w odniesieniu do właściwych norm przedmiotowych z uwzględnieniem przedziałów wymiarowych półfabrykatów.

     W celu przeprowadzenia klasyfikacji jakościowej elementów konstrukcyjnych, pozyskano półfabrykaty klejone warstwowo w dwóch partiach. Pierwsza w ilości 30 sztuk. po 10 sztuk o wymiarach przekroju 40x72mm, 40x100mm, 40x120mm. Druga partia obejmowała 45 sztuk po 15 sztuk o wymiarach 40x72mm, 40x96mm, 40x120mm. Pierwszą partię próbek określaną jako próbę A  sklejono  wykorzystując  klej  polioctanowinylowy  JOWACOLL 102 20 

z utwardzaczem JOWACOLL 195 30 (w ilości 5 % wagowo). Drugą partię próbek określano jako próbę  B  sklejono klejem   firmy  AKZO NOBEL EPI 8055

z utwardzaczem izocyjanianowym 1992 (w ilości 15% wagowo).

3. Opis przeprowadzonych badań

     Wytrzymałość na zginanie statyczne półfabrykatów jak i próbek litych przeprowadzono przy pomocy maszyny wytrzymałościowej typu DM 2214. Próbki poddano trójpunktowemu zginaniu, obciążono siłą skupioną, działającą w środku długości. Dążąc do zachowania porównywalnych wyników przeprowadzanych badań przy   ograniczeniach      wynikających z budowy belki podporowej, starano się  zachować stałą wartość     rozstawu     podpór

w stosunku do grubości badanych elementów jak 12/1.

     Moduł sprężystości wyznaczono z pomiaru ugięć przy trójpunktowym zginaniu. Próby zginania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej typu DM 2214. Badanie modułu sprężystości przy zginaniu przeprowadzono pod wpływem siły skupionej, zgodnie z  PN-63/D-04117 „Fizyczne i mechaniczne własności drewna. Oznaczanie współczynnika sprężystości przy zginaniu statycznym”. Wielkość   strzałki  ugięcia zmierzono za pomocą czujnika zegarowego

o dokładności odczytu 0.01mm. Próbki obciążono wstępnie siłą 100 N. Siłę zginającą zwiększano kolejno o 500 N.

Zestawienie danych i analiza wyników wykonanych badań

     Gęstość jako podstawowa własność fizyczna materiału poprzez powiązanie z jego strukturą odzwierciedla właściwości mechaniczne drewna. Charakterystykę gęstości poszczególnych łat stanowiących kolejne warstwy półfabrykatów przedstawiono w tabeli 1 i 2.

Tabela 1 Średnia gęstość łat wykorzystanych do produkcji elementów konstrukcyjnych próby A

Tabela 2 Średnia gęstość łat wykorzystanych do produkcji elementów konstrukcyjnych próby B

     Największy wynik średniej gęstości łat (542 kg/m³) uzyskano dla elementów konstrukcyjnych próby B o przekroju 40x72 mm. Najmniejszy wynik średniej gęstości łat (520 kg/m³) uzyskano dla elementów konstrukcyjnych próby A o przekroju 40x72 mm.

     Kolejną decydującą o jakości i przydatności drewna sosnowego właściwością fizyczną  jest słoistość. Zgodnie z danymi   literaturowymi   (wg Kollmana) w drewnie iglastym to wąskie przyrosty roczne świadczą o wyższych parametrach jakościowych. Norma PN-82/D-94021 uwzględniała przeciętną szerokość słojów jako kryterium przy określaniu klas jakości tarcicy konstrukcyjnej. Ustalona w pomiarach średnia szerokość przyrostów rocznych dla kolejnych łat użytych w produkcji półfabrykatów zestawiono w tabelach 3-4.

Tabela 3 Średnia szerokość przyrostów rocznych łat wykorzystanych do produkcji elementów konstrukcyjnych próby A

Tabela 4 Średnia szerokość przyrostów rocznych łat wykorzystanych do produkcji elementów konstrukcyjnych próby B

     Największą średnią szerokość przyrostów rocznych łat (2,01 mm) uzyskano dla elementów konstrukcyjnych próby B o przekroju 40x96 mm. Najmniejszą średnią szerokość przyrostów rocznych łat (1,68 mm) uzyskano dla elementów konstrukcyjnych próby B o przekroju 40x72 mm. Szerokości słojów wszystkich próbek zawiera się w przedziale od min 0,3 do max 5,3 mm.

     W zakresie higroskopijnym czyli w granicach od 0% do 30% wzrost wilgotności powoduje spadek wytrzymałości drewna. Spowodowane jest to rozsunięciem micel i zwiększeniem ich odległości kiedy woda wnika w błonę komórkową. Dla półfabrykatów o przekrojach 40x100(A) mm, 40x120(A) mm, 40x96(B) mm średnia wartość wilgotności łat wyniosła 10% a dla półfabrykatów o przekrojach 40x72(A) mm, 40x72(B) mm, 40x120(B) mm średnia wartość wilgotności łat wyniosła 11 %.

Wytrzymałość na zginanie statyczne dla próbek modelowych litych

     Dla celów porównawczych w przeprowadzanych badaniach pozyskano z elementów konstrukcyjnych próbki lite wg PN-68/D-4103. W tabelach 5-6 przedstawiono uzyskane wartości wytrzymałości próbek na zginanie statyczne.

Tabela 5 Wytrzymałość na zginanie próbek modelowych próby A

Tabela 6 Wytrzymałość na zginanie próbek modelowych próby B

     Próbki charakteryzujące najniższą średnią wytrzymałością (66 i 59 MPa) pozyskano ze środkowych łat zarówno próby A i B elementów konstrukcyjnych. Najwyższą średnią wytrzymałość (81 i 79 MPa) uzyskano dla próbek pozyskanych z rozciąganych łat również próby A jak i B elementów konstrukcyjnych. Najwyższa wartość wytrzymałości uzyskana dla jednej próbki wyniosła 97 MPa, a najniższa 47 MPa.

Wytrzymałość na zginanie statyczne dla próbek wielkowymiarowych

     Wytrzymałość na zginanie statyczne jest jedną z najczęściej stosowanych prób wytrzymałościowych, która bezpośrednio wpływa na projektowanie konstrukcji drewnianych. Ustalono wytrzymałości na zginanie statyczne dla próbek wielkowymiarowych  zgodnie z założeniami metodycznymi a uzyskane wartości przedstawiono w tab.7-8.

Tabela 7 Wytrzymałość na zginanie elementów konstrukcyjnych próby A

Tabela 8 Wytrzymałość na zginanie elementów konstrukcyjnych próby B

     Elementy konstrukcyjne o szerokości 72 mm uzyskały największe średnie wartości wytrzymałości (39 i 40 MPa). Półfabrykaty o szerokości 120 mm uzyskały najmniejsze średnie wartości wytrzymałości (29 i 34 MPa). Najmniejszą wartość wytrzymałości (23 MPa) uzyskała próbka o przekroju 40x72(B) mm i 40x96(B) mm, zaś największą (55 MPa) próbka o przekroju 40x100(A) mm i 40x96(B) mm. Część niskich wartości wytrzymałości na zginanie elementów konstrukcyjnych zostały spowodowane rozwarstwieniem złączy klinowych. Najczęstszym miejscem rozwarstwienia poziomego była strefa połączenia spoiną klejową.

Moduł Sprężystości

     Średnie wartości ustalonego modułu sprężystości Younga, czyli głównej własności klasyfikującej tarcicę konstrukcyjną dla poszczególnych przekrojów elementów konstrukcyjnych obrazuje tabela 9.

Tabela 9 Moduł Younga dla  próbek wielkowymiarowych E (MPa)

     Największą średnią wartość modułu Younga (11486 MPa) stwierdzono dla półfabrykatów o przekroju 40x96(B) mm, natomiast najniższą (9646 MPa) dla półfabrykatów o przekroju 40x100(A) mm. Najmniejsza wartość modułu uzyskana dla próbki wyniosła 7845 MPa, największa zaś 13288 MPa. Średnia wartość modułu sprężystości dla wszystkich półfabrykatów wyniosła 10518 MPa.

4. Wnioski

W oparciu o przeprowadzone badania i uzyskane wyniki sformułowano następujące wnioski:

     1. Średnia wilgotność łat wykorzystywanych do produkcji elementów konstrukcyjnych zawiera się w przedziale od 10 do 11 % co spełnia wymagania zawarte w   PN-81/B-03150.01. Ustalona  szerokość  przyrostów  rocznych   drewna  iglastego  przeznaczonego  do produkcji  półfabrykatów  mieściła się

w granicach od 0,3 do 5,3 mm przy średniej ok. 2 mm, co pozwala uznać surowiec za wąskosłoisty. Średnie gęstość łat sosnowych wykorzystywanych do produkcji półfabrykatów zawierające się w przedziale 520-542 kg/m³ są wyższe od podawanych przez Kollmanna czyli 490 kg/m³ (Krzysik F. 1978).

     2. Doświadczalnie ustalona wytrzymałość na zginanie statyczne dla próbek  litych modelowych z surowca sosnowego osiągnęła następujące wartości: minimalną 47 MPa i maksymalną 97 MPa. Średnia wytrzymałość dla poszczególnych stref zawiera się w przedziale 59-81 MPa. Wyniki uzyskane dla próbek są niższe od wytrzymałości na zginanie statyczne dla sosny, które wg Wanina wynoszą 87 MPa, natomiast wg Göhrego 88 MPa.

     3. Uzyskane wyniki charakterystycznej wytrzymałość na zginanie statyczne dla półfabrykatów  ( Fm,g,k = 17 MPa ) w porównaniu z danymi PN-EN 1194-2000 są zbyt niskie aby nadać klasę wytrzymałościową dla drewna klejonego. W odniesieniu dla norm wytrzymałościowych tarcicy konstrukcyjnej litej tylko  w oparciu o wyniki średnie można by zaklasyfikować do klasy MKW półfabrykaty o przekroju 40x72 mm z próby A i B. Pozostałe elementy konstrukcyjne zaliczono by kolejno; klasa MKS - elementy 40x100 mm z próby A i B oraz 40x120 mm z próby B. Półfabrykaty o przekroju 40x120 z próby A zaliczono by do klasy MKG.

     4. Uzyskana średnia wartość modułu sprężystości (E = 10518 MPa) dla prób A i B jest również zbyt niska aby nadać klasę wytrzymałościową dla drewna klejonego zgodnie z normą PN-EN 1194-2000. Otrzymane wartości modułu Younga dla połfabrykatów są niższe niż  podawane przez  Leontiewa dla drewna litego ( E = 12200 MPa ). Nie osiągnięto wartości wymaganych dla klas wytrzymałości drewna klejonego warstwowo.

     5. Niskie wartości modułu Younga  oraz wytrzymałości na zginanie  statyczne były w znacznym stopniu wynikiem uszkodzeń na styku spoin klejowych oraz drewna zarówno w układzie warstwowym  jak i na połączeniach wieloklinowych. Nie bez znaczenia jest również nieuporządkowany układ klejonych łat   od promieniowego   do   stycznego   co  w   praktyce   powoduje   spadek   parametrów   wytrzymałościowych   dla   próbek   wielkowymiarowych

w przeprowadzonych badaniach.

     6. Prowadzenie właściwego systemu kontroli i ukierunkowania położenia łat wykorzystywanych do łączenia na długość i szerokość może w dużym stopniu podnieść uzyskiwane wyniki jakościowe i wytrzymałościowe półfabrykatów.

5. Literatura

Dzbeński W., Kozakiewicz K., Krzosek S. : Wytrzymałościowe sortowanie tarcicy budowlano-konstrukcyjnej. Warszawa 2005, str. 16-18.

Kollmann F., Cöte W.A., 1968: Principles of wood science and wood technology. Solid wood – part I. Berlin-Heidelberg-N.York.

Krzysik F., 1978: Nauka o drewnie. PWN. Warszwa.

PN-63/D-04117, Fizyczne i mechaniczne własności drewna. Oznaczanie współczynnika sprężystości przy zginaniu statycznym.

PN-68/D-4103, Fizyczne i mechaniczne własności drewna. Oznaczanie wytrzymałości na zginanie statyczne.

PN-81/B-03150,  Konstrukcje z drewna i materiałów drewnopochodnych.

PN-81/B-03150.01, Konstrukcje z drewna i materiałów drewnopochodnych. Obliczenia statyczne i projektowanie. Materiały.

PN-82/D-94021, Tarcica iglasta konstrukcyjna sortowana metodami wytrzymałościowymi.

PN-EN 408:1998, Konstrukcje drewniane. Drewno konstrukcyjne lite i klejone warstwowo. Oznaczanie niektórych właściwości fizycznych, mechanicznych.

PN-EN 384:1999, Drewno konstrukcyjne. Oznaczanie wartości charakterystycznych właściwości mechanicznych i gęstości.

PN-EN 1194:2000, Konstrukcje drewniane. Drewno klejone warstwowo. Klasy wytrzymałościowe i określenie wartości charakterystycznych

PN-EN 338:2003, Drewno konstrukcyjne. Klasy wytrzymałości.