Zprávy z tisku
Inovační konstrukční prvek v dřevostavbách
Následující článek popisuje nový konstrukční prvek, který je vhodný pro využití v oblasti dřevostaveb. Jedná se o konstrukční prvek, kterým je sloup z formovaného dřeva. Při jeho výrobě se používá nová technologie využívající skelná vlákna, která zvyšují únosnost prvku.
V současné době se začínají ve stavebnictví stále více prosazovat stavby, jejichž konstrukce je provedena ze dřeva nebo konstrukčních prvků na bázi dřeva. Dřevostavby mají řadu dobrých vlastností; dobré zvukověizolační vlastnosti, dobré estetické působení, dřevo je obnovitelný materiál. K důležitým vlastnostem dřevostaveb patří dobré tepelně- technické vlastnosti, které vzhledem k současným cenám energií mají rozhodující roli.
1 SLOUP Z FORMOVANÉHO DŘEVA
Sloup z formovaného (resp. stlačeného) dřeva můžeme charakterizovat jako inovační konstrukční prvek s dobrými mechanickými vlastnostmi (tah/tlak rovnoběžně s vlákny) při nízké hmotnosti, který je možno dodatečně vyztužit pomocí textilie ze skelných vláken a tím zvýšit jeho únosnost. Pokud k této charakteristice doplníme fakt, že dřevo je přírodní materiál s regeneračními schopnostmi, který působí estetickým dojmem, můžeme konstatovat, že myšlenka aplikace sloupu ze stlačeného dřeva v dřevostavbách je reálná.
Dřevěný sloup (viz obr. 1, 2) je vyroben z formovaného dřeva (smrk/picea abies), které je stlačováno a formováno do kruhového průřezu s vnějším průměrem d1 = 270 mm a s vnitřním průměrem d2 = 238 mm. Výška sloupu činí 2450 mm, tloušťka stěny sloupu je 16 mm.
Některé výhody sloupu z formovaného dřeva:
- dobré mechanické vlastnosti (tlak/tah rovnoměrně s vlákny),
- nízká hmotnost,
- možnost dodatečného zvýšení únosnosti sloupu (pomocí vyztužení),
- úspora materiálu,
- nové možnosti architektonického ztvárnění (reprezentativní účely).
Díky dobrým mechanickým vlastnostem je možné využít sloup z formovaného dřeva ve stavebnictví jako:
- podporu ve skeletových konstrukcích v dřevostavbách,
- podporu lehkých stavebních konstrukcí (např. přístřešky),
- náhradu za staré původní podpory při rekonstrukcích,
- konstrukční prvek pro reprezentativní účely.
1.1 Princip formovaného dřeva
Jehličnaté dřevo se v růstovém období dělí na jarní a letní dřevo. Jarní dřevo se vytváří na počátku růstového období a je charakteristické malou tloušťkou buněčných stěn a velkým průměrem buněk. Naopak u letního dřeva se tloušťka buněčné stěny zvětšuje a průměr buněk se zmenšuje. Proto letní dřevo vykazuje na rozdíl od jarního dřeva větší objemovou hmotnost, a tudíž lepší mechanické vlastnosti. [1]
Smyslem stlačení dřeva je zdeformování oblasti jarního dřeva za účelem zvýšení hodnoty objemové hmotnosti, která ovlivňuje mechanické vlastnosti dřeva.
Výzkum využití formovaného (resp. stlačeného) dřeva vede profesor Peer Haller na Technické univerzitě v Drážďanech (Německo), Institut für Stahlbau und Holzbau. Profesor Haller vytvořil konstrukční prvek, u kterého využil dobré mechanické vlastnosti formovaného dřeva na trubicovém tělese. Tento konstrukční prvek bude přenášet tlakové síly působící ve směru osy konstrukčního prvku (resp. dřevěného sloupu).
1.2 Výroba sloupu z formovaného dřeva
Dřevěný sloup je vyroben ze smrkového dřeva (Picea abies). Na počátku výroby sloupu z formovaného dřeva jsou dílčí dřevěné segmenty stlačeny z původní tloušťky 50 mm na 16 - 18 mm při působení tlaku 4 MPa.
Následně jsou navzájem slepeny jednotlivé stlačené segmenty do dřevěné tabule (viz obr. 5), která je zahřívána v horké lázni při teplotě 150 ř C (viz obr. 6). Dostatečně zahřátá dřevěná tabule je vložena do mechanického lisovacího zařízení (viz obr. 7), které postupným lisováním formuje dřevěnou tabuli do kruhového průřezu. Po několikanásobném lisování se konečný tvar dřevěné tabule zajistí pomocí textilních pásů a ocelového válcovaného profilu a ponechá se vychladit a vytvrdnout (viz obr. 8).
2 MOŽNOST DODATEČNÉHO ZTUŽENÍ SLOUPU POMOCÍ TECHNICKÉ TEXTILIE
Objevy nových materiálů přinášejí technické pokroky. V období průmyslové revoluce měla především ocel rozhodující postavení mezi používanými materiály. Od 50. let 20. století zažívají razantní vývoj materiály na bázi netkané textilie. Netkané textilie s polymerní maticí mají velice široký inovační potenciál a vyskytují se nejen jako materiály pro lehké stavby (zastřešení, ochrana proti povětrnostním vlivům), ale i jako materiály použitelné pro jiné účely (např. jako výztuž do betonu). V oblasti s vysokými požadavky na lehkost konstrukce (např. letectví, vesmírné lety či motorové sporty) plní dnes vysokopevnostní materiály velmi důležitou roli. [2]
V současné době existují textilie, které se kromě dobrých mechanických vlastností (např. pevnost v tahu) vyznačují vysokou odolností proti povětrnosti, odolností proti houbám nebo požární ochranou (v případě spojení s betonem). Jsou tedy charakteristické vlastnostmi, které dřevo postrádá, a které mohou zvýšit jeho trvanlivost. Z výše uvedených důvodů byla v průběhu výzkumu využita technická textilie (viz obr. 9) ze skelných vláken jako dodatečné vyztužení sloupu z formovaného dřeva.
2.1 Princip ztužení sloupu pomocí technické textilie
V kruhovém průřezu sloupu, který je namáhán tlakovou silou, působí tangenciální napětí Tt (viz obr. 10) a radiální napětí Tr. Tangenciální napětí Tt, které je větší než radiální napětí Tr, výrazně ovlivňuje únosnost dřevěného sloupu. Technická textilie ze skelných vláken, nalepená na dřík sloupu, je charakteristická vysokou pevností v tahu. Tudíž textilie bude přenášet tangenciální napětí Tt a tím bude docíleno zvýšení únosnosti dřevěného sloupu. Na obr. 9 je znázorněno zhlaví dřevěné sloupu s textilií ze skelných vláken a bez ní.
3 TLAKOVÉ ZKOUŠKY
V této kapitole jsou popsány tlakové zkoušky na dřevěném sloupu, jejichž cílem bylo zjištění únosnosti dřevěného sloupu s nebo bez dodatečného vyztužení. Tlakové zkoušky sloupu byly prováděny v Otto - Mohrově zkušební hale v Drážďanech, která je využívána pro vědeckou činnost na Technické univerzitě Drážďany.
3.1 Tlakové zkoušky na sloupu z formovaného dřeva
Cílem tlakových zkoušek [ 3] bylo zjištění únosnosti sloupu z formovaného dřeva, který je namáhán tlakovou silou rovnoběžně s výškou sloupu (viz obr. 12) prostřednictvím tlakového měřicího přístroje DB 6000.
Pro tlakové zkoušky byly použity sloupy z formovaného smrkového dřeva (Picea abies). Bylo zkoušeno celkem 13 zkušebních vzorků z formovaného dřeva s objemovou hmotností pv = 700 kg/m3 a vlhkostí w = 8 - 10 %. Rozměry a parametry zkušebních těles jsou uvedeny v tab. 1. Pro tlakové zkoušky byly použity zkušební vzorky s výškou 50, 200, 500 a 2450 mm. Jednotlivé zkušební vzorky byly namáhány zvolenou zatěžovací rychlostí 10 kN/s.
Výsledkem tlakových zkoušek je zjištění hodnot tlakových sil při porušení jednotlivých zkušebních těles, ze kterých je vytvořena křivka (viz graf) určující vztah mezi tlakovou silou a štíhlostí sloupu.
3.2 Tlakové zkoušky na sloupu vyztuženém technickou textilii
Cílem tlakových zkoušek [ 3] bylo zjištění únosnosti sloupu z˙formovaného dřeva vyztuženého technickou textilii ze skelných vláken, který byl namáhán tlakovou silou rovnoběžně s osou sloupu prostřednictvím tlakového měřicího přístroje DB 6000 (viz obr. 13).
Tlakové zkoušky na sloupu vyztuženém pomocí textilie ze skelných vláken byly provedeny stejným postupem, který je popsán v kapitole 3.1. V této kapitole je dále popsáno dodatečné vyztužení sloupu pomocí textilie.
Dodatečné vyztužení je provedeno pomocí technické textilie ze skelných vláken (viz obr. 9), která je nalepena na dřík sloupu syntetickou pryskyřicí. Po dostatečném vyschnutí tvoří syntetická pryskyřice s technickou textilií tuhý celek. Pro vytvoření dodatečného vyztužení sloupu byly použity tři vrstvy technické textilie a výsledná tloušťka kompozitu (resp. tuhého celku vyztužení) je 1 mm. Pro tlakové zkoušky bylo použito celkem 16 kusů zkušebních vzorků. Rozměry a parametry zkušebních těles jsou uvedeny v tab. 2. Mechanické vlastnosti textilie ze skelných vláken jsou uvedeny v tab. 3.
Výsledkem tlakových zkoušek bylo zjištění hodnot tlakových sil při porušení jednotlivých zkušebních těles, ze kterých je vytvořena křivka (viz graf) určující vztah mezi tlakovou silou a štíhlostí sloupu. Na grafu je znázorněn průběh závislosti tlakové síly při porušení a štíhlosti sloupu bez nebo s vyztužení pomocí textilie ze skelných vláken. Podle hodnot získaných pomocí tlakových zkoušek bylo prokázáno, že sloup z formovaného dřeva vykazuje vysokou únosnost; sloup o výšce 2450 mm přenese přibližně 540 kN a sloup o stejné výšce (2450 mm) s dodatečným vyztužením přenese 750 kN. Při porovnání obou křivek můžeme konstatovat, že při výšce sloupu 2450 mm zvýší vyztužení pomocí textilie únosnost sloupu přibližně o 33 %.
ZÁVĚR
Na základě výsledků z tlakových zkoušek prokázal sloup z formovaného dřeva, že může přenášet velké zatížení a vytvořit tak konkurenci tradičním konstrukčním prvkům z oceli, železobetonu či dřeva. Existují však určité faktory, které mohou ovlivnit jeho využití ve stavebnictví. Důležitým faktorem pro uplatnění sloupu v dřevostavbách je výrobní proces a s ním související cena, která je jedním z nejdůležitějších aspektů pro uplatnění sloupu na trhu. Pokud bude tento inovační konstrukční prvek využíván ve velkém měřítku, bude výrobce nucen zkvalitnit a urychlit postup výroby. Naopak při malém využívání vzrostou výrobní náklady a tím bude také ohroženo využití sloupu ze stlačeného dřeva v dřevostavbách.
V dosavadní výzkumné práci byly provedeny tlakové zkoušky na dřevěném sloupu do výšky 2450 mm. Použitelnost sloupu z formovaného dřeva je závislá na vzpěrné délce sloupu. Z tohoto důvodu by měly být provedeny v dalším průběhu výzkumu tlakové zkoušky na dřevěném sloupu pro výšku 3000 - 6000 mm. Tím se zjistí vliv vzpěru na větší výšku sloupu.
Použití technické textilie jako dodatečného ztužení sloupu je reálné. Je však nutné konstatovat, že ve stavebnictví jde z hlediska vyztužování stále o nový materiál, a proto uvedení technické textilie na obchodní trhy jako materiálu pro dodatečné vyztužení bude záviset především na výzkumné práci.
Zdroj: Silvarium
Datum uveřejnění: 17.3.08
Poslední změna: 17.3.2008
Počet shlédnutí: 402
Inovační konstrukční prvek v dřevostavbách
Následující článek popisuje nový konstrukční prvek, který je vhodný pro využití v oblasti dřevostaveb. Jedná se o konstrukční prvek, kterým je sloup z formovaného dřeva. Při jeho výrobě se používá nová technologie využívající skelná vlákna, která zvyšují únosnost prvku.
V současné době se začínají ve stavebnictví stále více prosazovat stavby, jejichž konstrukce je provedena ze dřeva nebo konstrukčních prvků na bázi dřeva. Dřevostavby mají řadu dobrých vlastností; dobré zvukověizolační vlastnosti, dobré estetické působení, dřevo je obnovitelný materiál. K důležitým vlastnostem dřevostaveb patří dobré tepelně- technické vlastnosti, které vzhledem k současným cenám energií mají rozhodující roli.
1 SLOUP Z FORMOVANÉHO DŘEVA
Sloup z formovaného (resp. stlačeného) dřeva můžeme charakterizovat jako inovační konstrukční prvek s dobrými mechanickými vlastnostmi (tah/tlak rovnoběžně s vlákny) při nízké hmotnosti, který je možno dodatečně vyztužit pomocí textilie ze skelných vláken a tím zvýšit jeho únosnost. Pokud k této charakteristice doplníme fakt, že dřevo je přírodní materiál s regeneračními schopnostmi, který působí estetickým dojmem, můžeme konstatovat, že myšlenka aplikace sloupu ze stlačeného dřeva v dřevostavbách je reálná.
Dřevěný sloup (viz obr. 1, 2) je vyroben z formovaného dřeva (smrk/picea abies), které je stlačováno a formováno do kruhového průřezu s vnějším průměrem d1 = 270 mm a s vnitřním průměrem d2 = 238 mm. Výška sloupu činí 2450 mm, tloušťka stěny sloupu je 16 mm.
Některé výhody sloupu z formovaného dřeva:
- dobré mechanické vlastnosti (tlak/tah rovnoměrně s vlákny),
- nízká hmotnost,
- možnost dodatečného zvýšení únosnosti sloupu (pomocí vyztužení),
- úspora materiálu,
- nové možnosti architektonického ztvárnění (reprezentativní účely).
Díky dobrým mechanickým vlastnostem je možné využít sloup z formovaného dřeva ve stavebnictví jako:
- podporu ve skeletových konstrukcích v dřevostavbách,
- podporu lehkých stavebních konstrukcí (např. přístřešky),
- náhradu za staré původní podpory při rekonstrukcích,
- konstrukční prvek pro reprezentativní účely.
1.1 Princip formovaného dřeva
Jehličnaté dřevo se v růstovém období dělí na jarní a letní dřevo. Jarní dřevo se vytváří na počátku růstového období a je charakteristické malou tloušťkou buněčných stěn a velkým průměrem buněk. Naopak u letního dřeva se tloušťka buněčné stěny zvětšuje a průměr buněk se zmenšuje. Proto letní dřevo vykazuje na rozdíl od jarního dřeva větší objemovou hmotnost, a tudíž lepší mechanické vlastnosti. [1]
Smyslem stlačení dřeva je zdeformování oblasti jarního dřeva za účelem zvýšení hodnoty objemové hmotnosti, která ovlivňuje mechanické vlastnosti dřeva.
Výzkum využití formovaného (resp. stlačeného) dřeva vede profesor Peer Haller na Technické univerzitě v Drážďanech (Německo), Institut für Stahlbau und Holzbau. Profesor Haller vytvořil konstrukční prvek, u kterého využil dobré mechanické vlastnosti formovaného dřeva na trubicovém tělese. Tento konstrukční prvek bude přenášet tlakové síly působící ve směru osy konstrukčního prvku (resp. dřevěného sloupu).
1.2 Výroba sloupu z formovaného dřeva
Dřevěný sloup je vyroben ze smrkového dřeva (Picea abies). Na počátku výroby sloupu z formovaného dřeva jsou dílčí dřevěné segmenty stlačeny z původní tloušťky 50 mm na 16 - 18 mm při působení tlaku 4 MPa.
Následně jsou navzájem slepeny jednotlivé stlačené segmenty do dřevěné tabule (viz obr. 5), která je zahřívána v horké lázni při teplotě 150 ř C (viz obr. 6). Dostatečně zahřátá dřevěná tabule je vložena do mechanického lisovacího zařízení (viz obr. 7), které postupným lisováním formuje dřevěnou tabuli do kruhového průřezu. Po několikanásobném lisování se konečný tvar dřevěné tabule zajistí pomocí textilních pásů a ocelového válcovaného profilu a ponechá se vychladit a vytvrdnout (viz obr. 8).
2 MOŽNOST DODATEČNÉHO ZTUŽENÍ SLOUPU POMOCÍ TECHNICKÉ TEXTILIE
Objevy nových materiálů přinášejí technické pokroky. V období průmyslové revoluce měla především ocel rozhodující postavení mezi používanými materiály. Od 50. let 20. století zažívají razantní vývoj materiály na bázi netkané textilie. Netkané textilie s polymerní maticí mají velice široký inovační potenciál a vyskytují se nejen jako materiály pro lehké stavby (zastřešení, ochrana proti povětrnostním vlivům), ale i jako materiály použitelné pro jiné účely (např. jako výztuž do betonu). V oblasti s vysokými požadavky na lehkost konstrukce (např. letectví, vesmírné lety či motorové sporty) plní dnes vysokopevnostní materiály velmi důležitou roli. [2]
V současné době existují textilie, které se kromě dobrých mechanických vlastností (např. pevnost v tahu) vyznačují vysokou odolností proti povětrnosti, odolností proti houbám nebo požární ochranou (v případě spojení s betonem). Jsou tedy charakteristické vlastnostmi, které dřevo postrádá, a které mohou zvýšit jeho trvanlivost. Z výše uvedených důvodů byla v průběhu výzkumu využita technická textilie (viz obr. 9) ze skelných vláken jako dodatečné vyztužení sloupu z formovaného dřeva.
2.1 Princip ztužení sloupu pomocí technické textilie
V kruhovém průřezu sloupu, který je namáhán tlakovou silou, působí tangenciální napětí Tt (viz obr. 10) a radiální napětí Tr. Tangenciální napětí Tt, které je větší než radiální napětí Tr, výrazně ovlivňuje únosnost dřevěného sloupu. Technická textilie ze skelných vláken, nalepená na dřík sloupu, je charakteristická vysokou pevností v tahu. Tudíž textilie bude přenášet tangenciální napětí Tt a tím bude docíleno zvýšení únosnosti dřevěného sloupu. Na obr. 9 je znázorněno zhlaví dřevěné sloupu s textilií ze skelných vláken a bez ní.
3 TLAKOVÉ ZKOUŠKY
V této kapitole jsou popsány tlakové zkoušky na dřevěném sloupu, jejichž cílem bylo zjištění únosnosti dřevěného sloupu s nebo bez dodatečného vyztužení. Tlakové zkoušky sloupu byly prováděny v Otto - Mohrově zkušební hale v Drážďanech, která je využívána pro vědeckou činnost na Technické univerzitě Drážďany.
3.1 Tlakové zkoušky na sloupu z formovaného dřeva
Cílem tlakových zkoušek [ 3] bylo zjištění únosnosti sloupu z formovaného dřeva, který je namáhán tlakovou silou rovnoběžně s výškou sloupu (viz obr. 12) prostřednictvím tlakového měřicího přístroje DB 6000.
Pro tlakové zkoušky byly použity sloupy z formovaného smrkového dřeva (Picea abies). Bylo zkoušeno celkem 13 zkušebních vzorků z formovaného dřeva s objemovou hmotností pv = 700 kg/m3 a vlhkostí w = 8 - 10 %. Rozměry a parametry zkušebních těles jsou uvedeny v tab. 1. Pro tlakové zkoušky byly použity zkušební vzorky s výškou 50, 200, 500 a 2450 mm. Jednotlivé zkušební vzorky byly namáhány zvolenou zatěžovací rychlostí 10 kN/s.
Výsledkem tlakových zkoušek je zjištění hodnot tlakových sil při porušení jednotlivých zkušebních těles, ze kterých je vytvořena křivka (viz graf) určující vztah mezi tlakovou silou a štíhlostí sloupu.
3.2 Tlakové zkoušky na sloupu vyztuženém technickou textilii
Cílem tlakových zkoušek [ 3] bylo zjištění únosnosti sloupu z˙formovaného dřeva vyztuženého technickou textilii ze skelných vláken, který byl namáhán tlakovou silou rovnoběžně s osou sloupu prostřednictvím tlakového měřicího přístroje DB 6000 (viz obr. 13).
Tlakové zkoušky na sloupu vyztuženém pomocí textilie ze skelných vláken byly provedeny stejným postupem, který je popsán v kapitole 3.1. V této kapitole je dále popsáno dodatečné vyztužení sloupu pomocí textilie.
Dodatečné vyztužení je provedeno pomocí technické textilie ze skelných vláken (viz obr. 9), která je nalepena na dřík sloupu syntetickou pryskyřicí. Po dostatečném vyschnutí tvoří syntetická pryskyřice s technickou textilií tuhý celek. Pro vytvoření dodatečného vyztužení sloupu byly použity tři vrstvy technické textilie a výsledná tloušťka kompozitu (resp. tuhého celku vyztužení) je 1 mm. Pro tlakové zkoušky bylo použito celkem 16 kusů zkušebních vzorků. Rozměry a parametry zkušebních těles jsou uvedeny v tab. 2. Mechanické vlastnosti textilie ze skelných vláken jsou uvedeny v tab. 3.
Výsledkem tlakových zkoušek bylo zjištění hodnot tlakových sil při porušení jednotlivých zkušebních těles, ze kterých je vytvořena křivka (viz graf) určující vztah mezi tlakovou silou a štíhlostí sloupu. Na grafu je znázorněn průběh závislosti tlakové síly při porušení a štíhlosti sloupu bez nebo s vyztužení pomocí textilie ze skelných vláken. Podle hodnot získaných pomocí tlakových zkoušek bylo prokázáno, že sloup z formovaného dřeva vykazuje vysokou únosnost; sloup o výšce 2450 mm přenese přibližně 540 kN a sloup o stejné výšce (2450 mm) s dodatečným vyztužením přenese 750 kN. Při porovnání obou křivek můžeme konstatovat, že při výšce sloupu 2450 mm zvýší vyztužení pomocí textilie únosnost sloupu přibližně o 33 %.
ZÁVĚR
Na základě výsledků z tlakových zkoušek prokázal sloup z formovaného dřeva, že může přenášet velké zatížení a vytvořit tak konkurenci tradičním konstrukčním prvkům z oceli, železobetonu či dřeva. Existují však určité faktory, které mohou ovlivnit jeho využití ve stavebnictví. Důležitým faktorem pro uplatnění sloupu v dřevostavbách je výrobní proces a s ním související cena, která je jedním z nejdůležitějších aspektů pro uplatnění sloupu na trhu. Pokud bude tento inovační konstrukční prvek využíván ve velkém měřítku, bude výrobce nucen zkvalitnit a urychlit postup výroby. Naopak při malém využívání vzrostou výrobní náklady a tím bude také ohroženo využití sloupu ze stlačeného dřeva v dřevostavbách.
V dosavadní výzkumné práci byly provedeny tlakové zkoušky na dřevěném sloupu do výšky 2450 mm. Použitelnost sloupu z formovaného dřeva je závislá na vzpěrné délce sloupu. Z tohoto důvodu by měly být provedeny v dalším průběhu výzkumu tlakové zkoušky na dřevěném sloupu pro výšku 3000 - 6000 mm. Tím se zjistí vliv vzpěru na větší výšku sloupu.
Použití technické textilie jako dodatečného ztužení sloupu je reálné. Je však nutné konstatovat, že ve stavebnictví jde z hlediska vyztužování stále o nový materiál, a proto uvedení technické textilie na obchodní trhy jako materiálu pro dodatečné vyztužení bude záviset především na výzkumné práci.
Zdroj: Silvarium
Datum uveřejnění: 17.3.08
Poslední změna: 17.3.2008
Počet shlédnutí: 402