Wkręty wklejane – rewolucja w budownictwie z drewna klejonego

Pod niemal każdą szerokością geograficzną od zarania dziejów uznawane jest za jeden z najdoskonalszych materiałów budowlanych. Stanowi naturalny i ekologiczny surowiec, cechujący się wysoką wytrzymałością i świetnymi parametrami izolacyjnymi. Jest trwałe, łatwe w obróbce, szeroko dostępne i przyjemne dla oka. O czym mowa? Oczywiście o drewnie. A w tym wypadku o drewnie nie byle jakim, bo klejonym warstwowo. Porozmawiajmy o technologii BSH.

Nowe oblicze drewna?

Nie takie znów nowe! Już w roku 1906 niejaki Otto Hetzer opracował i opatentował metodę wytwarzania nowego (wtedy) typu belek wykonanych z dwóch lub więcej sklejonych ze sobą lameli, czyli warstw desek z wysokiej jakości drewna. Stworzył tym samym produkt, którego parametry biły na głowę właściwości zwykłego drewna litego.

Nie bez przyczyny drewno klejone warstwowo, znane szerzej jako drewno BSH (z niem. Brettschichtholz) zyskało z czasem ogromną popularność. Jego zalety są nie do przecenienia – wystarczy wspomnieć chociażby o niemal nieograniczonych możliwościach kształtowania elementów konstrukcyjnych, by wyobraźnia chyba każdego projektanta uruchomiła wszystkie trybiki i weszła na zupełnie nowy poziom. A przecież nie można pominąć nieprzeciętnej wytrzymałości i sztywności drewna BSH, jego stabilności kształtowej i wymiarowej, czy bardzo niskiej tendencji do pęknięć. Wbrew stereotypom krążącym wśród ludzi nieobeznanych z tematem, cechuje je również bardzo wysoka odporność ogniowa, by nie wspomnieć o silnej odporności na czynniki środowiskowe, chemiczne i biologiczne, przekładającej się na brak konieczności stosowania chemicznych środków ochrony.
Otto prawdopodobnie o tym nie wiedział, ale jego wynalazek był pierwszym krokiem ku nowej erze w budownictwie drewnianym – i nie tylko drewnianym, dziś bowiem wiemy, że w wielu aspektach drewno klejone ma przewagę nie tylko nad drewnem litym, ale również nad materiałami, takimi jak stal, żelbet, aluminium czy beton.

BSH w Polsce

W Polsce drewno BSH coraz szybciej zyskuje na popularności, jednak nasz rodzimy rynek drewna klejonego warstwowo wciąż jeszcze jest w powijakach, a jego wartość w stosunku do rynków innych materiałów konstrukcyjnych, takich jak beton czy stal, jest marginalna. Nie przeprowadzono ogólnodostępnych badań krajowego rynku dotyczących konsumpcji drewna klejonego, jednak szacuje się, że zużywamy obecnie około 25-30 tysięcy metrów sześciennych drewna klejonego rocznie, co odpowiada w przybliżeniu 15% rynku francuskiego, 13% austriackiego i zaledwie 3% niemieckiego. Doskonale ilustruje to skalę różnicy w stosowaniu drewna BSH w poszczególnych krajach, ale pokazuje również, jak wielki potencjał wzrostu drzemie na polskim rynku i czeka na przebudzenie.
Warto nadmienić, że mimo rosnącej popularności budownictwa drewnianego w Polsce, gros osób związanych z tym rynkiem kojarzy drewno klejone przede wszystkim z konstrukcjami wielkowymiarowymi – przede wszystkim dlatego, że opracowanie wodoodpornych klejów na bazie żywic stworzyło możliwość wytwarzania wielkowymiarowych elementów konstrukcyjnych pozwalających budować ekonomiczne konstrukcje wielkogabarytowe o bardzo korzystnych parametrach wytrzymałościowych.

Rzeczywiście, w ostatnich latach jak grzyby po deszczu mnożą się w naszym kraju konstrukcje, takie jak hale sportowe, baseny, hotele, kościoły, hale produkcyjne i magazynowe czy obiekty rolnicze, przy budowie których wykorzystano drewno BSH, jednak należy również mieć świadomość faktu, że już od dekady na polskim rynku dostępna jest technologia budowy domów z drewna klejonego w systemie tzw. masywnego budownictwa drewnianego, znana szerzej jako technologia HBE lub HNT. Jest to stosunkowo nowa tendencja, jednak zainteresowanie nią rośnie, a tradycyjne podejście Polaków do budownictwa stopniowo się przełamuje.
Nie bez znaczenia jest fakt, że z produkcyjnego punktu widzenia drewno BSH jest materiałem budowlanym bardzo stabilnym pod względem formy, łatwym w obróbce i w wysokim stopniu pozbawionym uszkodzeń, a w wyniku odpowiedniego sortowania oraz klejenia materiał ma znacznie lepsze parametry i cechuje się wyższą wytrzymałością niż klasyczne drewno budowlane. Nie można jednak zapominać, że zarówno na poziomie mentalnościowym, jak i czysto pragmatycznym projektowanie i budowanie domów w nowej technologii wymaga oczywiście swego rodzaju „resetu” i nauczenia się pewnych zasad od początku – wiele rzeczy, które w przypadku budynków murowanych były uznawane za naturalne i oczywiste lub po prostu pomijane, nabiera w tym przypadku nowego znaczenia.

Czym jest drewno klejone?

Zazwyczaj do produkcji drewna klejonego warstwowo używa się tarcicy drzew iglastych. Wynika to z faktu, że w porównaniu z gatunkami drewna liściastego, takimi jak buk, klon czy jesion, drewno iglaste cechuje się znacznie lepszymi parametrami współczynnika jakości wytrzymałościowej pod względem wytrzymałości na rozciąganie, ściskanie i zgniatanie statyczne. Dla porównania, wartość wytrzymałości drewna iglastego na ściskanie wzdłuż włókien wynosi 23-34 MPa, zaś drewna liściastego – jedynie 16-26 MPa.
Produkcja drewna BSH rozpoczyna się od suszenia tarcicy do wilgotności około 12%. Kolejnym etapem jest jej struganie do odpowiedniej grubości, a następnie sortowanie zgodnie z wymaganiami normowymi. Bardzo istotny jest odpowiedni dla produkowanego elementu dobór warstw zewnętrznych, zarówno pod kątem wytrzymałościowym, jak i wizualnym. Fragmenty desek z wypadającymi sękami i wadami drewna mającymi wpływ na wytrzymałość są na tym etapie usuwane.
Po zakończeniu wstępnej obróbki, czoła desek są frezowane na złącza palczaste i klejone, po czym dokonuje się czołowego łączenia poszczególnych desek w tzw. lamele. Po wyschnięciu kleju następuje struganie ich do odpowiedniej grubości, zależnej od wymaganego promienia gięcia. Wystrugane panele zostają następnie pokryte klejem, połączone w warstwy i ściśnięte w prasie do czasu pełnego utwardzenia się złączy klejowych (warto nadmienić, że warstwy kleju w drewnie klejonym są bardzo cienkie, a zawartość kleju w gotowym produkcie nie przekracza 1%!).
Po wyjęciu z prasy surowy produkt jest strugany i odpowiednio docinany, a w razie potrzeby, jeżeli drewno podczas użytkowania będzie narażone na wpływ warunków atmosferycznych, również poddawany impregnacji.

Problem sztywności

Niezależnie od rodzaju konstrukcji, kluczowymi parametrami, które należy uwzględnić w całym procesie tworzenia budynku, od projektu po jego realizację, są wytrzymałość, sztywność i statyczność. W przypadku budowli wykonanych z drewna konieczne jest uwzględnienie mechanizmów i zjawisk, które w przypadku tradycyjnych budynków murowanych często nie są brane pod uwagę, podczas gdy w budownictwie drewnianym ich pominięcie lub zbagatelizowanie może rodzić bardzo poważne konsekwencje użytkowe, a w przypadku obciążeń o skrajnie dużej intensywności, nawet prowadzić do katastrofy. Problem sztywności, a co za tym idzie, również wytrzymałości i statyczności obiektu budowlanego wynika wprost z oddziaływania obciążeń poziomych na konstrukcje. W polskich realiach są to głównie obciążenia wiatrem, warto jednak wspomnieć, że w wielu innych regionach dotyczy to również obciążeń sejsmicznych.
Istnieją oczywiście odpowiednie standardy budowlane, mające na celu zapewnienie odpowiednich parametrów budynków wykonanych z drewna. W przypadku drewna klejonego warstwowo zarówno w Polsce, jak i na świecie celem uzyskania odpowiedniej wytrzymałości, statyczności i sztywności stosowane są dodatkowe usztywnienia czy stężenia w budynkach. To właśnie te punkty stanowią swego rodzaju słabe ogniwo w konstrukcjach z drewna BSH, ponieważ są one najsłabszymi elementami całego ustroju konstrukcyjnego. Dotychczas nikt nie opracował rozwiązania technologicznego, które pozwoliłoby zredukować niestabilność obiektu budowlanego spowodowaną stosowaniem dodatkowych elementów łączących. Chociaż…

Wytrzymałość kluczem do sukcesu

Osiągniecie wyższego poziomu trwałości i wytrzymałości konstrukcji obiektów z drewna klejonego jest jednak możliwe, a technologia pozwalająca na tworzenie budowli cechujących się niespotykaną dotąd sztywnością, przekładającą się na statyczność i wytrzymałość budynku, jest już w zasięgu ręki.
Do wyjaśnienia podstaw tej technologii konieczne jest zrozumienie, czym dokładnie jest wspomniana już wytrzymałość drewna. Otóż, wytrzymałość drewna na ściskanie definiowana jest jako opór, jadrewnie jest znacznie wyższaki stawia materiał drzewny poddany działaniu sił ściskających, powodujących jego odkształcenie lub zniszczenie. Miarą wytrzymałości drewna na ściskanie jest naprężenie w MPa, przy którym następuje zniszczenie badanej próbki. Niezwykle istotny jest fakt, że w przypadku drewna wytrzymałość na ściskanie zależy od jego kierunku anatomicznego, ponieważ siła może oddziaływać prostopadle bądź równolegle do włókien. Innymi słowy, rozróżnia się wytrzymałość drewna na ściskanie w poprzek i wzdłuż włókien – i to właśnie wytrzymałość wzdłużna włókien w drewnie jest znacznie wyższa.
Jak już wiemy, dotychczas na rynku nie istniało żadne dostępne rozwiązanie, które wykorzystywałyby wzdłużną wytrzymałość drewna na ściskanie w celu wyeliminowania problemów opisanych powyżej. Najnowsze badania zrealizowane przez polską firmę Konsbud pozwoliły jednak na opracowanie innowacyjnej technologii wykorzystującej wzdłużną wytrzymałość drewna na ściskanie i pozwalającej na tworzenie ustrojów tarczowych, co umożliwia nadanie budynkom z drewna klejonego niespotykanej dotąd sztywności.

Precz z oczepami!

Obecnie standardową konstrukcją drewnianego obiektu jest szkielet wykonany z belek. Panele z drewna klejonego stawiane są pionowo obok siebie, a następnie łączone ze sobą za pomocą wkrętów, oczepów i podwalin. To właśnie oczepy i podwaliny spinające panele stanowią najsłabszy punkt w całej konstrukcji, co powoduje, że pod wpływem obciążeń z zewnątrz może się ona przechylać, a jej stabilność – słabnąć.
Ideą nowej technologii, służącej konstrukcji obiektów z drewna klejonego warstwowo, jest wykorzystanie standardowo produkowanych elementów jako surowiec do produkcji całych elementów konstrukcyjnych, takich jak ściany, stropy i stropodachy. Elementy o wymiarach przekroju 6-10 na 36-56 cm wykonane z drewna o klasie wytrzymałościowej GL24h-GL30h wykorzystuje się do produkcji paneli, przy czym jeden z boków panelu frezowany jest w taki sposób, aby powstało gniazdo, natomiast przeciwległy tak, aby powstał wpust.
Ponieważ wykonana w ramach badań wspomnianych powyżej analiza statyczno-wytrzymałościowa wykazała brak współpracy pomiędzy panelami łączonymi w sposób tradycyjny, w celu rozwiązania tego problemu nowa technologia zakłada łączenie paneli nie tylko na pióro-wpust, ale także za pomocą wkrętów wklejanych, to jest dodatkowych łączników inżynierskich wprowadzanych w poszczególne połączenia na etapie produkcyjnym. Są to stalowe pręty gwintowane lub pręty zbrojeniowe żebrowane, zgodne odpowiednio z normą DIN 976-1 lub DIN 488-1.

Po upewnieniu się, że pręty są odtłuszczone, czyste i nienoszące śladów korozji, są one wklejane pomiędzy panelami w odstępach wynoszących maksymalnie 2,5 m. Zapewnia to sztywność połączenia pomiędzy poszczególnymi panelami, zwiększając tym samym jego wytrzymałość na siły osiowe i umożliwiając rezygnację ze stosowania klasycznych podwalin i oczepów. Styki pomiędzy panelami są dodatkowo uszczelniane ognioodporną wełną mineralną w celu zapewnienia szczelności ściany w warunkach pożarowych.
Podobnie, jak miało to miejsce powyżej, również w tym przypadku panele stawiane są pionowo obok siebie i łączone za pomocą wkrętów, jednak zamiast standardowo stosowanych oczepów i podwalin, między panelami montowane są trzpienie, czyli łączniki opisane powyżej.
Innowacyjność opisanej tu nowej technologii polega na wykorzystaniu standardowo produkowanych elementów z drewna klejonego do produkcji ścian, stropów i stropodachów tworzących tarcze konstrukcyjne, których wytrzymałość jest 10-krotnie wyższa niż ściany, w której zastosowano standardowe oczepy i podwaliny. Rozwiązanie to pozwala na uzyskanie ponadprzeciętnej sztywności oraz, co się z tym wiąże, wytrzymałości i statyczności konstrukcji bez konieczności stosowania dodatkowych usztywnień czy stężeń w budynkach, a w konsekwencji – rozwój nowych rodzajów budowli, w tym obiektów wielokondygnacyjnych, przy zachowaniu daleko idącej smukłości ścian.

Technologia przyszłości

Nowa technologia łączenia paneli pozwoli na wprowadzenie na rynek konstrukcji z drewna klejonego, cechujących się niespotykaną dotąd sztywnością, statycznością i wytrzymałością. Umożliwi to nie tylko wznoszenie pewnych, bezpiecznych i komfortowych w użytkowaniu budynków w pełni dostosowanych do potrzeb i preferencji odbiorcy, ale również rozwój obiektów wielokondygnacyjnych, dochodzących nawet do pięciu pięter.

Ponieważ ani w Polsce, ani na świecie nie istnieją obecnie alternatywne rozwiązania wykorzystujące wzdłużną wytrzymałość drewna na ściskanie, tworząc zarazem ustroje tarczowe w budynkach, jest to bez wątpienia innowacja, która może wprowadzić całkowicie nową jakość na międzynarodowym rynku budownictwa drewnianego.

mgr inż. Michał Ziętara
Dyrektor Działu Projektowego
www.konsbud.com