Drewno klejone krzyżowo – CLT. Projektowanie i technologia

Drewno klejone krzyżowo jest materiałem budowlanym stosunkowo nowym. Można zaryzykować stwierdzenie, że w Polsce – pomimo prawie trzydziestoletniej światowej historii – materiałem nieznanym. W krajach, takich jak Austria, Niemcy i kraje skandynawskie, w których drewno jest materiałem budowlanym równoprawnym ze stalą i betonem, wiedza teoretyczna i praktyczna o tym produkcie jest powszechnie znana. W Polsce nowoczesne materiały konstrukcyjne z drewna stanowią wciąż ciekawostkę, a wykorzystanie drewna jako elementu konstrukcyjnego, np. w budynkach wysokich, stanowi abstrakcję. Skąd takie dysproporcje mimo faktu, że żyjemy w dobie łatwego pozyskiwania informacji, a budynki drewniane wznoszone są, wykorzystując nowe technologie, od wielu lat u naszych zachodnich sąsiadów? Czynników wpływających na taki stan wiedzy jest wiele, ale główny problem stanowi stereotypowe podejście do budownictwa drewnianego. Z powodu naszej burzliwej historii zniechęciliśmy się do budowania z drewna. Budynki drewniane łatwo było zniszczyć i podpalić. Z drewna budowano głównie wiejskie chaty, co kojarzyło się z biedą, a w miastach – zwłaszcza tych bogatych i szybko rozwijających się – dominowały budynki ze stali, betonu i cegły.

Rys. 1. Element CLT
 

Polecamy: Drewno klejone krzyżowo – CLT. Właściwości i zastosowanie
 

Na szczęście w obecnych czasach obserwuje się powrót do budownictwa drewnianego głównie ze względu na ekologię i modę na zdrowy styl życia. Gdybyśmy chcieli stworzyć od podstaw nowy materiał budowlany jednocześnie estetyczny i ekologiczny, mocny a zarazem lekki, w którym czulibyśmy się komfortowo i moglibyśmy go pozyskiwać z naturalnych, samoodnawialnych złóż… Gdyby w dodatku przy procesie jego tworzenia emitowane było najmniej dwutlenku węgla do atmosfery, a wręcz gdyby dało się zmagazynować w nim na stałe część CO₂ pochodzącego z atmosfery – to jak nazwalibyśmy nasz nowy materiał? Nie musimy szukać nowych nazw, bo wszystkie wymienione zalety posiada drewno konstrukcyjne i produkty jemu pochodne. Musimy tylko porzucić postrzeganie drewna jako stosu zielonych tartacznych belek, które jak najszybciej chcemy ukryć w warstwach dachu lub jako układu pionowych słupków w szkielecie, które należy ocieplić wełną i zakryć płytą OSB oraz płytą GK. Drewno to coś więcej, a nowe konstrukcyjne produkty „drewnopochodne” pozwalają na spełnienie najśmielszych oczekiwań inwestora, architekta i konstruktora.
 

Drewno klejone krzyżowo powstało z chęci stworzenia materiału o dużej wytrzymałości, sztywności i estetyce. Dzięki wielowarstwowemu, naprzemiennemu układowi warstw zmniejsza się znaczenie naturalnych wad pojedynczej deski drewnianej i uzyskuje się sztywną tarczę ścienną lub płytę stropową mogącą pracować wielokierunkowo w konstrukcji budynku. Zgodnie z definicją zawartą w normie [1] drewno klejone krzyżowo X-lam (CLT) to strukturalne drewno konstrukcyjne, składające się co najmniej z trzech warstw drewna lub materiałów drewnopochodnych, z których co najmniej trzy warstwy są do siebie prostopadłe.

Rys. 2. Przykładowe przekroje drewna klejonego krzyżowo
 

Pierwszy etap produkcji CLT nie różni się zbytnio od procesu produkcyjnego drewna klejonego wzdłużnie i drewna klejonego warstwowo. Surowy materiał drewniany zostaje poddany suszeniu, struganiu i docięciu, a następnie jest łączony w długie wstęgi za pomocą połączeń palczastych (mikrowczepów). Dzięki takim połączeniom można uzyskać teoretycznie nieskończenie długie deski konstrukcyjne, które w przypadku elementów CLT są ograniczone do długości transportowych, tj. 12,0-16,0 m. Możliwości produkcyjne są jednak większe, ale gotowe elementy wymagają wtedy specjalistycznego transportu. Tolerancja wilgotności materiału to 12 +/- 2%. Każda z warstw CLT musi być wykonana z tarcicy o tej samej klasie wytrzymałości określonej zgodnie z EN 14081-1, dopuszcza się jednak wykorzystanie różnych gatunków drewna pod warunkiem zachowania takich samych parametrów technicznych, szczególnie pęcznienia i skurczu. Deski, z których wykonywane są elementy CLT, muszą mieć grubość od 6 do 45 mm, lecz dopuszcza się przy układzie trójwarstwowym zastosowanie warstwy wewnętrznej o grubości do 60 mm. Co ciekawe, norma [1] pozwala na wykonywanie również giętych elementów z drewna klejonego krzyżowo, których grubość warstw zależy przede wszystkim od promienia gięcia elementów. Zapotrzebowanie na gięte CLT jest na rynku bardzo niewielkie, a koszt przygotowania produkcji nieporównywalnie wyższy od prostych elementów, dlatego niewielu producentów decyduje się na oferowanie tego typu produktów. Jest to jednak produkt przyszłościowy, oferujący jeszcze większy wachlarz możliwości projektowych dla architektów.

Fot. Klejenie elementu CLT
 

Drugi etap produkcji polega na odpowiednim ułożeniu wcześniej przygotowanych lameli drewnianych oraz sklejeniu ich w gotowy produkt CLT. Do połączenia poszczególnych warstw używa się najczęściej klejów melaminowych (MUF) oraz poliuretanowych (PUR). Środki te są od kilkudziesięciu lat stosowane przy produkcji drewna klejonego warstwowo oraz wzdłużnie. Spełniają restrykcyjne normy pod względem emisji formaldehydu i są bezpieczne dla zdrowia w trakcie produkcji, użytkowania, a także podczas pożaru. Lamele nie muszą być klejone na powierzchniach bocznych i dopuszcza się ich ułożenie z odstępem do 6 mm. Drewno klejone krzyżowo klei się w prasach hydraulicznych lub próżniowych. W obu przypadkach, zgodnie z technologią klejenia, wymagany jest odpowiedni docisk łączonych elementów, który umożliwia trwałe połączenie adhezyjne. W przypadku pras hydraulicznych jest to od 0,1 do 1,0 N/mm², a w przypadku klejenia próżniowego od 0,05 do 0,1 N/mm². Bardzo rzadko w produkcji CLT używa się ścisków, kołków i gwoździ, jest to dopuszczalne.
 

Rys. 3. Oznaczenie elementów z drewna klejonego krzyżowo

Drewno klejone krzyżowo. Obliczenia

Jak ogólnie wiadomo, drewno wykazuje anizotropię naturalną oraz jest materiałem niejednorodnym. Anizotropia to nic innego jak zależność właściwości mechanicznych od kierunku włókien, a niejednorodność to, ogólnie mówiąc, zmienność substancji wypełniającej dany materiał. W praktyce inżynierskiej niejednorodność drewna jest pomijalna, jednak anizotropia musi być uwzględniona w obliczeniach wytrzymałościowych. Drewno w kierunku poprzecznym łatwo zgnieść i rozerwać, natomiast w kierunku wzdłużnym posiada wysoką wytrzymałość, zwłaszcza na rozciąganie. Drewno klejone krzyżowo posiada tzw. ukierunkowaną anizotropię sztuczną, a więc właściwości elementu zależą od kierunku ułożenia składowych warstw desek podczas produkcji. Wytrzymałość elementu krzyżowo klejonego zależy najbardziej od właściwości i grubości warstw o układzie równoległym do kierunku działania naprężeń. Zagadnienie obliczeń wytrzymałościowych elementów CLT jest złożone, a w publikacjach i literaturze brakuje metod projektowych. Prawdopodobnie znowelizowana norma EN 1995-1-1 będzie zawierała wytyczne do projektowania konstrukcji drewnianych z materiałów drewnopochodnych, takich jak CLT i LVL, data jej publikacji nie jest jeszcze znana.

Przystępując do obliczeń przekroju złożonego, jakim jest przekrój CLT, należy wyznaczyć podstawowe charakterystyki geometryczne przekroju, tj. środek ciężkości, powierzchnię, moment bezwładności oraz moment statyczny. W przypadku warstw o tym samym module sztywności oraz przekroju symetrycznym obliczenia charakterystyk przekroju nie stanowią problemu. Jednak w przypadku zastosowania różnych gatunków drewna oraz niesymetrycznym przekroju, np. podczas analizy odporności ogniowej, wzory charakteryzujące przekrój przyjmują postać wzorów ogólnych, a obliczenia stają się bardziej skomplikowane.
 

W analizie belkowego elementu CLT nie można wykorzystywać założeń teorii Eulera-Bernoullego. W dowolnym przekroju po deformacji wynikającej ze zginania wystąpią również odkształcenia styczne. Istnieje kilka metod pozwalających na uwzględnienie tego zjawiska, lecz jednym z częściej używanych w praktyce inżynierskiej jest zastosowanie zastępczej sztywności przy zginaniu przekroju złożonego opisanej w załączniku B do normy [2]. Metodę tę stosuje się w przypadku elementów trzy- lub pieciowarstwowych. Za pomocą współczynnika gamma γ_i możliwe jest obliczenie sztywności zastępczej przy zginaniu EI_eff.

gdzie:
E_i – moduł sztywności dla i-tej warstwy (dla warstw podłużnych E_i = E₀, dla warstw poprzecznych E_i = E₉₀ = 0); b_i – szerokość jednostkowa (1 m); t_i – grubość każdej z warstw równoległych; z_i – odległość między osią centralną każdej z warstw a osią centralną całego przekroju; L_eff – efektywna odległość między momentami zerowymi w belce (dla belki jednoprzęsłowej L_eff = L); G_j,90 – moduł ścinania warstw poprzecznych; t_j – grubość warstwy poprzecznej.

W przypadku większej liczby warstw składowych przekroju CLT stosuje się zmodyfikowaną metodę gamma lub metodę opartą na teorii Timoshenko.

Rys. 4. Rozkład naprężeń normalnych i stycznych w przekroju CLT

Weryfikacja stanu granicznego nośności może być przeprowadzona bez uwzględniania odkształceń stycznych, tj. na podstawie charakterystyk przekroju netto, przy czym podczas analizy stanu granicznego użytkowania należy uwzględnić sztywność zastępczą przy ugięciu elementu na podstawie przekroju efektywnego opisanego wyżej. W obliczeniach przekroju netto nie uwzględnia się warstw o układzie poprzecznym do kierunku głównego.

Każdorazowo projekt konstrukcyjny musi zostać opracowany przez odpowiednio uprawnionego konstruktora. Projektowanie nawet dużych obiektów z drewna jest możliwe, opierając się na dostępnych normach, a nie jednostkowo na podstawie jakichkolwiek wytycznych producentów.
 

Jak wspomniano na początku artykułu, produkt CLT jest nieznany dla wielu uczestników procesu budowlanego w Polsce. Dwadzieścia lat temu mogło to być normalne i usprawiedliwione zjawisko, o tyle dzisiaj wiedza ta jest ugruntowana, staje się niezbędna i powinna być powszechna. Dodając do tego ponad 100-letnią już historię produkcji drewna klejonego warstwowo, musimy spojrzeć na drewno z nowej perspektywy i docenić jego wiele zalet oraz ustawić je w jednym szeregu z żelbetem i stalą. Zachęcamy wszystkich do zgłębiania tego tematu, a w razie pytań lub wątpliwości – do kontaktu z nami. Działania nasze skierowane są również na upowszechnianie wiedzy o drewnie inżynieryjnym, w tym produktów takich jak Glulam (belki z drewna klejonego warstwowo), HBE oraz CLT (masywne, płytowe konstrukcje ścian, stropów oraz dachów).

Literatura

• PN-EN 16351:2015 Konstrukcje drewniane – Drewno klejone krzyżowo – Wymagania.
• PN-EN 1995-1-1:2010 Projektowanie konstrukcji drewnianych – Część 1-1: Postanowienia ogólne – Reguły ogólne i reguły dotyczące budynków.

Adam Kotarski
Jakub Przepiórka
Zdjęcia i grafiki: Mayr Melnhof, Ledinek Engineering, Modulam.pl

Polecamy też: Drewno klejone warstwowo – czy tylko konstrukcje wielkowymiarowe?