Anizotropia drewna czyli lepiej jak stoi niż leży

Jak powszechnie wiadomo, drewno jest materiałem anizotropowym, czyli takim, którego fizyczne oraz mechaniczne właściwości zmieniają się w zależności od rozpatrywanego kierunku. W ujęciu inżynierskim oznacza to, iż jego wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie i zginanie zależy od kierunku działania sił w stosunku do kierunku włókien.

Drewno znacznie łatwiej przenosi siły działające wzdłuż włókien niż w poprzek. Z jednej strony jest to kwestia dość oczywista i naturalna, a z drugiej sprawiająca nadal wielu osobom kłopot z właściwym projektowaniem, wykonawstwem oraz użytkowaniem. Ponadto drewno jest również materiałem higroskopijnym czyli pochłania oraz oddaje wilgoć z powietrza tak długo, aż osiągnie stan równowagi pomiędzy własną wilgotnością, a wilgotnością otoczenia. Stan ten nazywa się wilgotnością równowagową i prezentuje go poniższy wykres. Widać na nim jasno, iż mimo zależności między tymi wilgotnościami, wartości te nie są sobie równe. Stan równowagi nie jest stanem równości. Przykładowo dla wilgotności powietrza około 60%, wilgotność równowagowa drewna jest na poziomie 12%.

Włóknista struktura drewna przypomina układ rurek lub słomek. Wilgoć i woda jest znacznie łatwiej pobierana z otoczenia przez przekrój drewna od strony czołowej (w przekroju poprzecznym) niż od strony bocznej (przekrój styczny). Dlatego tak ważna jest ochrona czołowych przekrojów drewna przed czynnikami zewnętrznymi. Pęcznienie drewna jest z kolei ponad 20 razy większe w kierunku stycznym niż wzdłużnym. Wracając do porównania ze „słomkami”, wilgoć powoduje ich puchnięcie o wiele łatwiej niż ich wydłużenie. Skupiając się na drewnie jako materiale budowlanym, powyższe właściwości wymagają od projektantów, wykonawców oraz użytkowników odpowiedniego podejścia do danego elementu konstrukcyjnego oraz połączeń między nimi. Warto zwrócić uwagę na skalę różnic w wytrzymałościach drewna w zależności od kierunku włókien.

Dla drewna litego w klasie C24:

• rozciąganie wzdłuż włókien: 14 N/mm2,
• rozciąganie w poprzek włókien: 0,4 N/mm2,
• ściskanie wzdłuż włókien: 21 N/mm2,
• ściskanie w poprzek włókien: 2,5 N/mm2.

Łatwo obliczyć, że wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien jest aż 35-krotnie wyższa niż w kierunku poprzecznym. W przypadku ściskania różnica jest mniejsza, bo 8-krotna lecz nadal istotna i ważna podczas uwzględniania kierunku pracy elementu w konstrukcji.

Automatycznie nasuwa się kwestia układu włókien przy powszechnych masywnych systemach budowy domów. W tym przypadku chodzi przede wszystkim o wytrzymałość na ściskanie – rozciąganie będzie tutaj mniej istotne. Jednak przy konstrukcjach wielkowymiarowych, w szczególności z drewnianymi ściągami ma to olbrzymie znaczenie zarówno przy wymiarowaniu elementu, jak i jego połączeń z elementami sąsiednimi. Wówczas wytrzymałość na rozciąganie wychodzi na pierwszy plan, także każdy przypadek należy analizować indywidualnie. Inaczej jest np. przy konstrukcjach stalowych, które cechują się dużą jednorodnością oraz izotropowością. Poniżej przedstawiono w skrócie różnice w trzech technologiach powszechnie znanych na rynku.

Klasyczne domy z bala

W tym przypadku, ścienne elementy drewniane leżą poziomo jeden nad drugim. Siła pionowa działa zatem w poprzek włókien, czyli w kierunku o mniejszej wytrzymałości. Wytrzymałość wzdłuż włókien (wyższa) nie jest tutaj specjalnie wykorzystywana. Między innymi dlatego wysokość wznoszenia takich budynków jest ograniczona. W kwestii higroskopijności, drewniana ściana pochłaniając oraz oddając wilgoć będzie pracowała mocno w kierunku pionowym. W trakcie użytkowania powstają pęknięcia skurczowe, co powoduje rozszczelnienie przegrody budowlanej i utratę jej właściwości izolacyjnych. Istnieją oczywiście środki zaradcze i rozwiązania materiałowe ograniczające te skutki, jednak w aspekcie anizotropii drewna, powyższe cechy są niekorzystne pod względem pracy materiału budowlanego.

Technologia HBE

W tym przypadku mamy do czynienia z balem pionowym. Materiał konstrukcyjny to drewno klejone warstwowo wyprofilowane na krawędziach bocznych w pióra i wpusty dla łatwiejszego scalania poszczególnych elementów. Występuje tu pionowy kierunek włókien, zatem korzystamy z wyższej wytrzymałości na ściskanie przekroju drewnianego. Między innymi dlatego dla obiektów typu 2-3 kondygnacyjne domy mieszkalne w zupełności wystarczy ściana konstrukcyjna grubości 10 cm. Co ciekawe, w tej technologii powstają obiekty wyższe, nawet do 5-6 kondygnacji i w większości przypadków wystarczy również grubość 10 cm! Jest to możliwe właśnie z uwagi na tę ponad 8-krotnie wyższą wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż niż w poprzek włókien. Oczywiście, należy zadbać o odpowiednie usztywnienia całej konstrukcji i jej poszczególnych elementów a także przeanalizować wyboczenia elementu ściennego. Jest to jednak bardzo korzystny układ przekroju pod względem przenoszenia obciążeń pionowych. W kwestii higroskopijności elementy w tym układzie pracują znikomo w kierunku pionowym, a prawidłowo wykonana konstrukcja nie ma praktycznie możliwości pobierania wilgoci wzdłuż włókien.

Technologia CLT

Tutaj mamy do czynienia z drewnem klejonym krzyżowo. Składa się z co najmniej 3 warstw sklejonych ze sobą naprzemiennie pod kątem 90 stopni. Mamy więc warstwy ułożone pionowo oraz poziomo w jednej ścianie. Warstwy pionowe dają nam wysoką nośność na ściskanie, a warstwy poziome w uproszczeniu usztywniają płytę oraz zapobiegają pracy na szerokość ściany. Materiał ten jest zatem najbardziej stabilny wymiarowo oraz najmniej podatny na pęcznienie oraz skurcz drewna. Rozpatrując cały element, można powiedzieć, iż staje się on nieco mniej anizotropowy niż klasyczna deska. Produkcyjnie osiągane są grubości od 60 mm do nawet 400 mm. Dzięki krzyżowemu układowi warstw otrzymujemy elementy wielkoformatowe pozwalające budować budynki wysokościowe, aktualni rekordziści to ponad 20 pięter i ponad 80 m wysokości! Wymienione powyżej produkty z grupy „drewna inżynieryjnego” pozwalają projektować i budować znacznie więcej i wyżej niż z klasycznych krawędziaków i tradycyjnych bali. Inwestorzy oraz projektanci stopniowo zauważają te możliwości oraz potencjał „nowego drewna”. Realizowane są coraz śmielsze wizje. Wiek XXI jest zdecydowanie wiekiem konstrukcji drewnianych właśnie dzięki innemu spojrzeniu na ten materiał oraz większemu wykorzystaniu drzemiącego w nim potencjału. Przełomem był oczywiście również rozwój technologii klejenia oraz uprzemysłowienie produkcji.

Mgr inż. Adam Kotarski
Modulam Sp. z o.o.
www.modulam.pl

• Drewniane budownictwo modułowe
• Dostawy gotowych elementów konstrukcji
• Projektowanie konstrukcji drewnianych