… W tym sęk, żeby pokonać lęk przed zamieszkaniem w domu drewnianym - Cz. IV Drewno jako materiał budowlany

Cz. IV Drewno jako materiał budowlany

 

1. Drewno jak materiał budowlany.

 

1. 1. Właściwości drewna

Drewno jest naturalnym, odnawialnym i organicznym materiałem budowlanym. Jedną z podstawowych zalet drewna jest korzystna proporcja jego wytrzymałości w odniesieniu do ciężaru właściwego, która umożliwia stosunkowo łatwą obróbkę, technikę łączenia, a także projektowanie konstrukcji budowlanych o znacznej rozpiętości.

To dobry izolator termiczny i akustyczny, ma estetyczny wygląd oraz materiał przyjazny środowisku. Z drugiej strony znaczna zmienność właściwości mechanicznych w zależności od poziomu wilgotności i długotrwałości obciążenia, podatność na skurcze i pęcznienie powodujące spękania, a także wysoka anizotropowość, palność oraz szczególna wrażliwość na biologiczne czynniki destrukcyjne wymaga odpowiedniej wiedzy i umiejętności, by wykorzystać drewno jako materiał konstrukcyjny do wznoszenia bezpiecznych, trwałych, ekonomicznych i niezawodnych budynków mieszkalnych i innych obiektów inżynieryjnych[1].

Oczywistym jest, że użytkownik nowego domu drewnianego, lub innego obiektu o konstrukcji drewnianej nie ma potrzeby znać wszystkich norm do klasyfikacji wytrzymałościowej, ani też nie ma potrzeby znajomości norm projektowych.

A jednak do budowy domu nie wystarczy posiadanie swojego własnego lasu, z którego można pozyskać materiał do budowy lub remontu obiektu architektury drewnianej.

Obowiązują bowiem wszystkich pewne zasady ujęte w ramy norm, które przy ich przestrzeganiu zapewnia bezpieczeństwo i komfort użytkowania na długie lata.

Problem w tym, że języka techniczny nie da się streścić, w ten sposób, by nie wprowadzić w błąd, a i zbytnie uproszczenia lub nieodpowiednie spopularyzowanie byłoby działaniem nieodpowiedzialnym.

Wynika to z faktu, że drewno nie jest materiałem jednorodnym, fachowo tę cechę drewna nazywa się anizotropowością.

A zatem skoro drewno i drewno to nie to samo - to nie pozostaje nic innego jak zapoznanie się z podstawowymi własnościami fizycznymi i własnościami wytrzymałościowymi drewna, a także zapoznanie z kilkoma absolutnie koniecznymi obowiązującymi normami.

Surowiec drzewny pozyskuje się z pnia rosnącego drzewa. Obserwując przekrój poprzeczny od środka, drzewo składa się z cienkiego, ciemnego prążka nazywanego rdzeniem pnia, następnie twardej części drewna zwanej twardzielem, pionowych kanałów transportowych dla wody i składników mineralnych nazywanych bielą, miazgi, gdzie formowane są nowe komórki oraz ochronnej, zewnętrznej warstwy kory[2].

Właściwości fizyczne drewna są różne dla danego gatunku drewna i zależą od budowy chemicznej, struktury budowy drewna oraz ciężaru właściwego. W stanie powietrzno-suchym (wilgotność drewna +/- 12%) rozróżnia się następujące grupy drewna[3]:

- bardzo ciężkie (powyżej 800 kg/m3) – cis, grab i gatunki egzotyczne np. heban,

- ciężkie (651-800 kg/m3) – dąb, jesion, orzech,

- umiarkowanie ciężkie (501-650 kg/m3) – modrzew, jabłoń, jałowiec, kasztanowiec, mahoń,

- lekkie (410-500 kg/m3) - sosna, świerk, jodla, cedr, lipa,

- bardzo lekkie (poniżej 410 kg/m3) – balsa, topola.

Włókna drewno iglastego i liściastego nie są jednorodne i różnią się od siebie kształtem pierścieni w poprzecznym przekroju i mają różne funkcje. Drewno iglaste w około 90% składa się z pustych komórek nazywanych cewkami, którymi transportowane są składniki odżywcze, natomiast drewno liściaste składa się z cylindrycznych naczyń tworzących tkanki oraz żywych komórek nazywane miękiszem, które przewodzą substancje odżywcze.

 

Drewno składa się z następujących pierwiastków: węgla (50%), tlenu (44%), wodoru (6%), azotu, (0,1%-0,4%) oraz składników mineralnych (0,3%-1,2%). Podstawowym mikroskopowym składnikiem chemicznym drewna jest celuloza [C6H10O5]n (40-60%), która jest substancją szkieletową. Oprócz celulozy drewno składa się z polisacharydów (złożone cukry składające się z mniejszych węglowodanów) nazywanych hemicelulozą (5%-25%), substancji spajających tzw. lepiszczy czyli ligniny (20%-40%), pektyn (4%-8%) oraz gum drzewnych, a także z żywicy, wosków, garbników, alkaloidów, lateksów, skrobi i olejków eterycznych. Proporcja tych składników różni się w zależności od gatunku drewna.

 

Jednym z podstawowych drewnianych wyrobów budowlanych jest drewno świerkowe. Świerk pospolity [łac. Picea abies] został sprowadzony do Polski z rejonu alpejskiego przez Habsburgów. Oprócz świerku w Polsce drewnem konstrukcyjnym jest sosna zwyczajna [łac. Pinus sylvestris], jodła pospolita [łac. Abies alba], daglezja [łac. Pseudotsuga Carriere] oraz modrzew [łac. Larix Mill.].

 

Z pnia drewna produkuje się tarcicę konstrukcyjną, natomiast koronę drewna oraz konary i gałęzie wykorzystuje się jako miąższową masę do przetwórstwa drzewnego w postaci produkcji m. in. płyt wiórowych.

 

W makroskopowej budowie drewna istotny jest zarówno podłużny przekrój promieniowy drewna jak i poprzeczny przekrój drewna.

 

W przekroju poprzecznym rozróżnia się twardziel i biel. Twardziel jest wewnętrzną strefą drewna, której wilgotność wynosi 30-60%, natomiast biel (80-150% wilgotności) jest miękką, zewnętrzną tkanką drewna. W naszej szerokości geograficznej drzewa rosną cyklach wegetacyjnym (wiosna i lato) i spoczynkowym (jesień i zima). W cyklu wegetacyjnym powstaje biel, a w cyklu spoczynkowym twardziel. W ten sposób rozwija się i wzrasta tkanka drewna i tak powstają roczne słoje przyrostów.

 

Drewno może być materiałem konstrukcyjnym, o ile określi się jego parametry fizyczno-mechaniczne[4].

 

Pozyskany surowiec bezwzględnie podlega procesowi sortowania ręczną metodą wizualną lub metodą zautomatyzowaną z wykorzystaniem badania widma podczerwieni i długości fal dźwiękowych.

W sortowania drewna jest zła i dobra wiadomość.

Zła jest taka, że nie cały surowiec nadaje się do budowy lub remontu domów. Niestety oprócz kory i trocin, które można wykorzystać jako biomasę nie każdy wycięty z dłużycy element drewna będzie materiałem budowlanym, a dobra jest taka, że nawet gorszy jakościowo lub mechaniczne można wykorzystać w inny sposób.

 

W sortowaniu drewna należy określić:

1. gęstość, która zależy o rozmiaru i struktury komórek oraz od zawartości wilgoci,
2. wytrzymałość, która zależy od gęstości, rozmiaru komórek oraz zawartości wilgoci,
3. skurcz, który zależy od struktury i rozmiaru komórek oraz zawartości wilgoci,
4. sztywność, która zależy od gęstości, struktury i rozmiaru komórek oraz zawartości wilgoci,
5. kolor, który zależy od zawartości i rodzaju garbników.
6. odporność ogniową, która zależy od gęstości oraz rodzaju garbników,
7. przewodność elektryczną, która zależy od rozmiaru komórek oraz zawartości wilgoci,
8. tłumienie mechaniczne, które zależy od rozmiaru komórek.

 

Większość drewna jest cechowana automatycznie i klasa wytrzymałości jest widoczna na każdym gotowym elemencie drewnianym.

W razie wątpliwości warto skorzystać z oceny uprawnionego brakarza.

 

Struktura drewna to włóknista wiązka równoległych komórek drewna wokół osi pnia, które są długie i smukłe. Taka włóknista budowa tworzy słoje drewna i odpowiada za anizotropowość drewna. Równoległe słoje do osi drewna determinują większą sztywność i wytrzymałość niż w poprzek słoi. Zasadniczo w przypadku obciążenia przykładanego w kierunku równoległym drewno ma posiada bardzo dobre parametry wytrzymałościowe dla rozciągania, a także ściskania – do momentu powstania wyboczeń. Natomiast w przypadku obciążenia przykładanego w kierunku prostopadłym do osi drewna, w wyniku ściskania współczynnik rozciągania obniża się. 

 

Należy zwrócić uwagę, że istnieje zależność pomiędzy gęstością drewna a szerokością pierścieni drewna. Najlepsze pod względem wytrzymałościowym są miękkie gatunki drewna, które zachowują stałą proporcję pomiędzy dużą gęstością pasm drewna późnego i niewielką szerokością pierścieni wzrostu. Gdy gęstość maleje, a wzrasta szerokość pierścieni wzrostu wytrzymałość drewna obniża się.

 

1. 1. Wady drewna

Niektóre cechy naturalne ograniczają zakres użyteczności drewna. W drewnie występują również nieprawidłowości jego budowy i uszkodzenia, które nazywa się wadami drewna[5].

Biel, czyli młoda, zewnętrzna część drewna ma dużą zawartość wilgoci i wymaga ochrony biologicznej. Ta część drewna niemodyfikowana biologicznie i przeciwogniowo nie jest bezpiecznym, ani trwałym materiałem konstrukcyjnym.

Młode i reakcyjne drewno, a także rdzeń drewna ma krótkie i cienkościenne cewki, dlatego jego wytrzymałość i sztywność jest znacznie niższa niż ta, która cechuje twardziel drewna. W przypadku drewna reakcyjnego, gdzie siły zewnętrzne działają na formowanie się pnia powstaje drewno ściskane tam gdzie działają duże siły ściskające. W takim drewnie widać szeroko rosnące słoje, które podatne są na dystorsje, kruchość i spękania po wysuszeniu. Taka wada powoduje spadek własności mechanicznych i obniżenia klasy sortowniczej drewna.

Część włókien drzew rośnie spiralnie według tzw. linii śrubowej wokół osi pnia. Powoduje to znaczne odchylenia włókien. Jeśli takie odchylenia słoi są większe niż 20% to drewno klasyfikuje się do niskiej klasy wytrzymałości drewna.

Jedną z powszechnie występujących wad drewna są sęki. Są to gałęzie, które wrastają w centralny pień drzewa. Prostopadła gałąź do osi pnia drewna rozwija się wewnątrz pnia, następnie z czasem obumiera. Martwa część sęka niezrośnięta z drewnem z czasem obluzowuje się i wypada. Wypadające, niezdrowe sęki są istotną wadą drewna. Sęki pojedyncze lub występują w skupinach. Rozróżniamy sęki zrośnięte, częściowo zrośnięte, niezrośnięte i zarośnięte (guzy, brewki, róże) oraz sęki zdrowie, nadpsute, zepsute, tabaczne i smołowe. Dopuszczalny rodzaj, ilość i wielkość sęków w drewnie określa norma sortownicza dla drewna konstrukcyjnego. Warto przywołać systematykę wad budowy drewna dla sęków opracowaną przez Franciszka Krzysika[6], który podzielił sęki m. in.:

1. ze względu na kształt na: sęk podłużny, sęk skrzydlaty i sęk okrągło-owalny,
2. ze względu na wymiar średnicy na: sęk szpilkowy, sęk perłowy, sęk ołówkowy, sęk mały, sęk średni i sęk duży,
3. ze względu na położenie w tarcicy na: sęk na płaszczyźnie, sęk na boku, sęk krawędzi, sęk przechodzący, sęk nieprzechodzący.

Zasadniczo sęki obniżają wytrzymałość mechaniczną drewna, szczególnie obniżają współczynnik wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien i zginanie.

Jedną na najważniejszych cech fizycznych drewna jest gęstość. Szczegółowe parametry gęstości określa norma PN-EN 338[7]. Niska gęstość drewna bezpośrednio wpływa na obniżenie nośności połączeń konstrukcji drewnianych. Niekorzystnym zjawiskiem jest zależność gęstości od wilgoci. Wysoka wilgotność drewna, gdzie masa drewna wzrasta wraz ze wzrostem wilgoci nie wpływa korzystnie na wytrzymałość drewna, ponieważ drewno pęcznieje. Penetrowanie wody wewnątrz drewna prowadzi do nasycenia włókien i zmiany znacznych zmian własności mechanicznych drewna. Stosunek usuwalnej masy wody do suchej masy drewna to zawartość wilgoci. Suchą masę drewna uzyskuje się poprzez suszenie (sezonowanie lub suszenie w komorze do suszenia drewna). Norma PN-EN 338 określa charakterystyczne wartości wytrzymałości i sztywności różnych klas drewna konstrukcyjnego dla wilgotności wynoszącej 12%.

W projektowaniu uwzględnia się wpływ wilgotności poprzez stosowanie współczynników m. in. w zależności od klasy użytkowania i klasy trwania obciążenia. Załącznik krajowy do normy EN 1995-1-1[8] określa, że wilgotność drewna litego stosowanego na elementy konstrukcyjne nie powinna przekraczać: 18% w konstrukcjach chronionych przed zawilgoceniem oraz 23% w konstrukcjach pracujących na otwartym powietrzu. Wysoka gęstość spowodowana wysokim parametrem wilgotności oraz pęcznienie drewna są kluczowymi wadami drewna.

Odwrotnym procesem do pęcznienia drewna są ruchy skurczowe drewna, gdy woda usuwana jest ze ścian komórek. W niektórych przypadkach nadmierna wilgotność prowadzi do nieodwracalnego pęcznienia, a nadmierne ruchy do sprężynowania materiału. Z drugiej strony ograniczając wchłanianie wilgoci może dojść do powstania naprężeń wewnętrznych i plastyczne własności drewna mogą prowadzić do ponadnormatywnej relaksacji i nieodwracalnych deformacji. W procesie redukowania wilgoci wymiary drewna kurczą się, a połączenia konstrukcyjne stają się luźne co prowadzi do utraty sztywności połączenia konstrukcji. W procesie suszenia należy unikać szybkiego suszenia, ponieważ gwałtowne tempo suszenia grozi degradacją biologiczną i powstaniem trwałych odkształceń z powodu mechanicznego sorpcyjnego pełzania.

W trakcie suszenia anizotropowość poprzecznego pęcznienia może prowadzić do wad optycznych, nazywanych dystorsjami. Gdy skurcz styczny jest większy nie dwukrotność skurczu promieniowego słoje drewna prostują się i dochodzi do radialnych pęknięć.  Jeśli w przekroju drewna występuje młode drewno, drewno ściskane lub sęki mogą pojawiać się dystorsje w postaci:

1. łuku wzdłuż przekroju podłużnego, gdy szerokość elementu jest większa niż jego grubość,
2. sprężyny wzdłuż przekroju podłużnego, gdy grubość elementu jest większa niż jego szerokość,
3. filiżanki wzdłuż przekroju poprzecznego, gdy szerokość elementu jest większa niż jego grubość,
4. skręcania gdy pojawiają się jednocześnie ruchy styczne i promieniowe.

 

Maksymalne dopuszczalne dystorsje określają normy dla sortowania drewna metodą wizualną: PN-EN 14081-2:2006, PN-EN 14081-3:2006, PN-EN 14081-1:2006[9].

 

Kolejna wadą drewna jest jego palność. Drewno twarde o gęstości objętościowej powyżej 800kg/m3) jest stosunkowo trudno zapalne, ale najbardziej narażone na zniszczenie ogniem jest drewno miękkie (jako materiał łatwopalny) o gęstości objętościowej poniżej 650kg/m3. Drewno niemodyfikowane ognioochronnie nie jest bezpiecznym materiałem pod względem pożarowym. Zbudowane jest głównie z wrzecionowatych pustych wewnątrz komórek, które stanowią 90% masy drewna iglastego. Ze względu na dużą ilość atomów tlenu w swoim składzie materiał jest podatny na zapalenie. W porowatej strukturze drewna są obecne również żywice i olejki eteryczne, które zaliczają się substancji łatwo zapalnych. Podczas spalania tworzy się warstwa zwęglona, która powoduje, że proces spalania drewna w porównaniu ze spalaniem innych materiałów staje się procesem stosunkowo wolno rozwijającym się. Jednak po pęknięciu bariery węglowej proces spalania jest intensywny i drewno traci właściwości wytrzymałościowe. Mimo to drewno ze względu na proces tworzenia się warstwy zwęglonej posiada większość odporność ogniową dla elementów o dużych przekrojach niż elementy aluminiowe lub stalowe. Warstwa zwęglona stanowi izolację cieplną chroniącą tym samym przed szybkim postępem procesu spalania w głąb elementów lub konstrukcji budowlanej.

Te właściwości drewna powodują, że jego wyeliminowanie lub zastąpienie jest niemożliwe. Zwiększenie odporności ogniowej drewna wymaga jednak dodatkowego procesu impregnacji przeciwogniowej środkami ogniochronnymi (tzw. uniepalniacze), które opóźniają lub hamują proces spalenia drewna[10].

Wady tarcicy występują zarówno w drewnie okrągłym jak i w tarcicy konstrukcyjnej. Są również wynikiem błędów popełnionych w czasie technologii obróbki, w procesie suszenia lub przechowywania w niewłaściwych warunkach.

Znane są jednak przypadki gdy powszechnie uznawane wady drewna są pożądane z uwagi na występowanie falistości włókien i wykorzystanie w świadomy sposób w produkcji okleiny lub obłogów.

Tarcica konstrukcyjna jest wyrobem budowlanym, dlatego powinna być oznakowana znakiem CE oraz stosownie do normy zharmonizowanej powinna być sortowana wytrzymałościowo w celu określenia klasy wytrzymałości. W procesie sortowania zarówno metodą wizualną jaki i metodą maszynową wady drewna takie jak: pęknięcia przechodzące przez całą grubość nie dłuższe niż 1,5m lub ½ długości elementu, pęknięcia przechodzące przez całą grubość nie dłuższe niż 1m lub ¼ długości elementu, krzywizna podłużna płaszczyzn do 20mm, krzywizna podłużna boków do 12mm, wichrowatość do 2mm i 25mm szerokości, oblina nie dłuższa niż 1/3 długości, szerokości lub grubości, miękka zgnilizna, która jest niedopuszczalna, nieaktywne otwory wylotowe po owadach zalicza się do klasy C18 i klas niższych. Wśród elementów tartacznych takich jak deski, belki, bale najbardziej powszechna jest klasa wytrzymałości C24. Jest to lite drewno ze składnikami tworzywa drzewnego zorientowanymi w jednym kierunku, które jest drewnem naturalnym lub modyfikowanym chemicznie lub termicznie. Elementy lite z drewna naturalnego dostępne są najczęściej w długościach do 6m.

 

1. 1. Drewno klejone

 

Na potrzeby uzyskania tarcicy od większych długościach produkuje się drewno lite o określonym przekroju klejone doczołowo na mikrowczepy tzw. drewno KVH [niem. Konstruktionsvollholz], najczęściej w klasie C24. Wyższe klasy wytrzymałości - C27, C30 są możliwe do uzyskania, jednak przy ich selekcji powstaje znaczna ilość odpadu.

 

O wiele bardziej racjonalnym sposobem pozyskiwania drewna konstrukcyjnego jest drewno klejone. Wyżej wymienione wady drewna są eliminowane w technologii produkcji drewna klejonego lub/i prasowanego. Wśród tworzyw drzewnych sklejanych lub prasowanych rozróżnia się drewno klejone warstwowo[11] z desek GL [ang. glued laminated timber] lub drewno klejone krzyżowo CLT [ang. cross laminated timber], względnie forniry LVL [ang. laminated veneer lumber] orientowane podłużnie lub krzyżowo. Drewno klejone GL jest produkowane w dwóch odmianach: jednorodne [np. GL24H] i kombinowane [np. GL24h].

Drewno klejone to wysokiej jakości, bezpieczny materiał o szerokich możliwościach zastosowania w konstrukcjach o dużych rozpiętościach. W porównaniu do swojej masy drewno klejone jest bardziej wytrzymałe od stali. Korzystny współczynnik wytrzymałości do masy umożliwia uzyskanie dużych rozpiętości z minimalną ilością podparć pośrednich.[12]

Technologia produkcji drewna klejonego w celu poprawy rozkładu sił umożliwia zmianę przekroju poprzecznego wzdłuż elementu konstrukcyjnego, w wyniku czego można dopasować wytrzymałość do spodziewanego poziomu naprężeń.

Komentarze (0)

Trwa ładowanie...

Załaduj więcej komentarzy