Naturalne cechy drewna nakładają na projektanta pewne ograniczenia, zwłaszcza związane z anizotropią drewna, słabszymi właściwościami na kierunku w poprzek włókien. Obecny stan wiedzy pozwala jednak te granice przesuwać. Służy temu szereg rozwiązań, w tym tzw. wzmocnień. Nie są one właściwe tylko dla napraw istniejących konstrukcji. Są powszechnie stosowane już na etapie prefabrykacji elementów konstrukcyjnych.
Drewno, z uwagi na troskę o środowisko i niskie zapotrzebowanie na energię w cyklu życia (C2C), stało się atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym. Jednak, jak każdy materiał, ma swoje zalety i wady. Jedną z głównych cech charakterystycznych jest anizotropia, zmienność właściwości w zależności od ułożenia włókien drewna, która ujawnia się coraz mocniej wraz z dynamicznie zwiększającym się zapotrzebowaniem na konstrukcje dużych rozpiętości i o skomplikowanej strukturze generującej złożone stany naprężeń. Dodatkowo właściwości materiałowe drewna mogą się różnić nawet w obrębie tego samego gatunku – wpływ ma jego niejednorodność (sęki, kształt usłojenia), a do pełnego opisu modelu w MES niezbędnych jest wiele parametrów. Jest to szczególnie istotne w strefie elementu poddanej naprężeniom ściskającym i rozciągającym w poprzek włókien. Co więcej, drewno jest wrażliwe na zmienną wilgotność otoczenia, która przekłada się na uwalnianie naturalnej pracy drewna podczas skurczu/pęcznienia, a w efekcie zaistnienia pęknięć i deformacji elementu. Wówczas wskutek kurczenia się zewnętrznej, szybciej wysychającej warstwy drewna, która podlega rozciąganiu przez bardziej wilgotne i mniej kurczące się warstwy wewnętrzne, powstają naprężenia rozciągające, działające stycznie do powierzchni słojów [1].
>>> Bariery rozwoju budownictwa drewnianego w sektorze deweloperskim
>>> Wartość rynku konstrukcji drewnianych w Polsce to już ponad 3 mld zł
>>> Materiały z włókien drzewnych i bambusowych w budownictwie
Fot. stock.adobe.com – Construction of a wooden house
W konstrukcjach drewnianych najczęstsze uszkodzenia spowodowane są obciążeniami prostopadłymi do włókien – szacuje się, że ok. 44% [2] wszelkich uszkodzeń związane jest z niską wytrzymałością na rozciąganie prostopadle do włókien ft,90 (zaledwie ok. 2% wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien), przy czym powodem towarzyszącym jest często zmieniająca się wilgotność drewna. Stosunkowo niewielka jest również wytrzymałość na ściskanie prostopadle do włókien fc,90. Na podstawie analizy 550 konstrukcji drewnianych wzniesionych w Niemczech w latach 1912–2006 stwierdzono, że 26% zdiagnozowanych wad dotyczyło dźwigarów o osi zakrzywionej i zmiennej wysokości przekroju [3] – podatnych na wystąpienie naprężeń w poprzek włókien ze względów geometrycznych. Podobne badania dotyczące awarii konstrukcji drewnianych w krajach skandynawskich zostały opublikowane w 2007 r. w pracy [4]. Statystyki pokazują, że niezbędne jest opracowanie jasnych wytycznych pozwalających projektantom na redukcję naprężeń prostopadłych do włókien oraz jasnych wytycznych dla wykonawców i użytkowników obiektów w celu zminimalizowania wpływów zmiany wilgotności.
>>> Pojemność cieplna ścian o konstrukcji szkieletowej drewnianej
>>> Przekrycia na bazie drewna
>>> Nowoczesny dom z drewna – poznaj korzyści prefabrykacji
Rys. 1. Miejsce powstania uszkodzenia w przypadku: a) belek podciętych, b) belek z otworami, c) strefa kalenicowa
W codziennej praktyce inżyniera efekty, tak jak naprężenia rozciągające w poprzek włókien, wystąpią np. w miejscach technologicznych podcięć oraz umiejscowienia otworów (rys. 1a i 1b), a także w strefie kalenicowej dźwigarów dwutrapezowych i łukowych [5] (rys. 1c). Natomiast problemy z przekroczeniem wytrzymałości na ściskanie prostopadle do włókien będą występowały na podporach, zwłaszcza tam, gdzie ograniczona jest długość oparcia elementu.
Wzmacnianie konstrukcji drewnianych. W dalszej części artykułu:
Zbrojenie poprzeczne oraz podłużne konstrukcji drewnianej
Kierunki wzmacniania podcięć belek
Wytyczne norm
Przykład obliczeniowy dla wzmocnienia podciętej strefy podporowej z wykorzystaniem wkrętów SFS-WT-T Φ 8 x 220 mm
Wzmocnienie strefy podparcia z uwagi na FC,90
Cały artykuł dostępny jest w numerze 12/2024 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.
dr inż. Dorota Kram, prof. PK, Politechnika Krakowska
mgr inż. Klaudia Śliwa-Wieczorek, Politechnika Krakowska
mgr inż. Piotr Brodniewicz, Andrewex Construction Sp. z o.o.
Literatura
1. F. Krzysik, Nauka o drewnie, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1978.
2. P. Dietsch, S. Winter, Typische Tragwerksmängel im Ingenieurholzbau und Empfehlungen für Planung, Ausführung und Instandhaltung, 8. Grazer Holzbau-Fachtagung, Graz 2009.
3. M. Frese, H.J. Blaß, Statistics of damages to timber structures in Germany, Engineering Structures, 33(11), 2011, s. 2969–2977.
4. E. Frühwald, E. Serrano, T. Toratti, A. Emilsson, S. Thelandersson, Design of safe timber structures – How can we learn from structural failures in concrete, steel and timber?, Division of Structural Engineering, Lund University, 2007.
