Strukturalne drewno konstrukcyjne klejone krzyżowo X-lam CLT – materiał przyszłości

O tym jak dynamicznie rozwija się produkt CLT na świecie oraz o coraz wyższych drewnianych budynkach powstających z tego materiału napisano już sporo. Niestety, jak dotąd brakuje równie imponujących przykładów na wykorzystanie drewna na naszym rodzimym podwórku. Jest to spowodowane różnymi czynnikami. Materiały drewnopochodne stanowią pewne wyzwanie dla producentów, projektantów i wykonawców.

Technologia jest stosunkowo nowa i traktowana przez to po macoszemu na uczelniach technicznych – po prostu mało jest nadal wykładowców znających ten temat. Sprawia to, że niewiele firm potrafi sprawnie obliczać konstrukcje drewniane i optymalnie wykorzystywać ten materiał. Na szczęście da się znaleźć firmy specjalizujące się w wykorzystaniu drewna i dysponujące wieloletnim doświadczeniem w bezpiecznym i ekonomicznym projektowaniu tego typu konstrukcji. Śmiało można pokusić się o tezę, że rynek wyprzedza tutaj system szkolnictwa.

Przypomnijmy czym jest CLT

Zgodnie z normą PN-EN 16351:2015 – 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. Taki układ zmniejsza znaczenie naturalnych wad drewna jako materiału konstrukcyjnego sprawiając, że staje się ono idealne do tworzenia bardzo sztywnych tarcz ściennych lub płyt stropowych i dachowych mogących pracować wielokierunkowo w konstrukcji budynku.

Deski układane naprzemiennie w trzech, pięciu, siedmiu i więcej warstwach, sklejane są na specjalnych prasach za pomocą poliuretanowych lub melaminowych klejów. W ten sposób tworzy się indywidualne elementy konstrukcyjne lub elementy typowe o wielu zastosowaniach.

Charakterystyka CLT

Drewno jako materiał wykazuje naturalną anizotropię oraz niejednorodność. Anizotropia materiału konstrukcyjnego oznacza, że wykazuje on inne właściwości mechaniczne w zależności od tego, w jakim kierunku przyłożymy do niego siłę. Drewno wykazuje inną wytrzymałość wzdłuż włókien niż w poprzek. W kierunku poprzecznym stosunkowo łatwo jest je zgnieść lub rozerwać. Inaczej jest w kierunku wzdłuż włókien, gdzie drewno wykazuje dużą wytrzymałość, szczególnie na rozciąganie.

Niejednorodność drewna to określenie zmienności substancji w danym elemencie. Jest to naturalne ze względu na biologiczne pochodzenie drewna i ten fakt pomija się w praktyce inżynierskiej, gdyż błędy powstające w jego wyniku są pomijalne. Za to fakt anizotropicznej natury drewna jest bardzo znaczący i wykorzystywany w przemyśle. CLT oprócz anizotropii samego materiału drewnianego posiada tzw. sztuczną anizotropię całego elementu. Właściwości elementu klejonego zależą od ułożenia włókien desek składowych w produkcji.

Najbardziej istotna dla właściwości elementu z drewna klejonego jest wytrzymałość i grubość warstw, w których włókna ułożone są wzdłużnie. Projektowanie elementów CLT to na tyle nieznany w naszym kraju proces, że literatura nie oferuje na razie dedykowanych metod projektowych. Prawdopodobnie nowelizacja normy EN 1995-1-1 może zmienić ten stan, ale na obecny moment nie wiadomo, kiedy zostanie opublikowana.

Jak obliczać konstrukcję z drewna klejonego krzyżowo?

Jak więc obliczać konstrukcje z drewna klejonego? Na początku najważniejsze jest wyznaczenie podstawowych parametrów liczonego elementu. Są to: środek ciężkości, powierzchnia, moment bezwładności oraz moment statyczny.

Jeśli warstwy składowe posiadają tę samą sztywność i symetryczny przekrój, obliczanie charakterystyki przekroju obiektu jest stosunkowo proste. Problem zaczyna powstawać, jeśli zastosowano różne gatunki drewna, co jest dopuszczalne, lub ich przekrój nie jest symetryczny. Taka sytuacja pojawia się np. podczas obliczania analizy odporności ogniowej ze względu na ingerencję w zewnętrzne warstwy materiału. W takim wypadku wzory charakteryzujące przekrój stają się wzorami ogólnymi, a obliczenie nabiera większej komplikacji.

Przy obliczaniu belkowego elementu z X-lamu nie można korzystać z teorii Eulera-Bernoullego i równania odkształceń wzdłuż wysokości przekroju, ponieważ po deformacji w wyniku zginania wystąpią również odkształcenia styczne w przekroju elementu. Spośród kilku metod obliczania elementu z uwzględnieniem tego zjawiska najpopularniejszą w praktyce jest zastosowanie sztywności zastępczej. Załącznik do normy PN-EN 1995-1-1:2010 opisuje metodę zastępczej sztywności przy zginaniu przekroju złożonego. Stosuje się ją w przypadku elementów o trzech lub pięciu warstwach. W przypadku większej ilości warstw składowych trzeba stosować metodę zmodyfikowaną lub inną metodę, opartą na teorii Timoshenko (wykorzystywana do obliczania prętów krępych).

Możliwe jest także sprawdzanie stanu granicznego nośności bez uwzględniania odkształceń stycznych. Wykonuje się to na podstawie przekroju netto. Podczas analizy stanu granicznego użytkowania należy jednak uwzględnić sztywność zastępczą przy ugięciu elementu na podstawie przekroju efektywnego jedną z podanych metod. Analiza przekroju netto nie uwzględnia warstw o układzie włókien w poprzek kierunku ogólnego elementu.

Jak wynika z przytoczonej treści, obliczenia i projektowanie elementów z drewna klejonego krzyżowo wymaga doświadczenia i sporej wiedzy praktycznej i teoretycznej. Jednakże sam materiał dla swojej funkcjonalności wart jest dodatkowych wysiłków i wynagradza cięższy proces projektowania. Z takimi projektami warto zawsze zwracać się do firm dysponujących odpowiednią wiedzą, praktyką i zapleczem do ich wykonania.

Mgr inż. Adam Kotarski