1. Charakterystyka drewna jako elementu konstrukcyjnego; główne elementy projektowe i sposób oznaczania
wartości obliczeniowych .

Drewno to substancja organiczna z której są zbudowane rośliny drzewiaste . Drewno zajmuje przestrzeń

miedzy rdzeniem a miazgą i korą . Jest to materiał o nierównomiernej budownie co powodóje o zmnianie
właściwości fizycznych i mechanicznych zależności od układu włukien .

Właściwości fizyczne drewna :

•

wygląd ( barwa i rysunek )

•

zachowanie sie względem wody ( wilgoć , higroskopijność , pęcznienie i skurcz , przewodzenie wody ,

nasiąkliwość )

•

gęstość

•

izolacyjność: cieplna , elektryczna , akustyczna,

•

twardość

Zalety drewna :

•

lekkość,

•

odporność na działanie wielu związków chemicznych,

•

dobra izolacyjność cieplna,

•

łatwość obróbki i łączenia elementów,

•

możliwość produkcji przemysłowej,

•

łatwość wzmacniania, przebudowy,

•

bdb warunki mikroklimatyczne w budynkach z drewna naturalnego,

Drewno oprócz nieprawidłowej budowy , uszkodzeń oraz cech naturalnych posiada wady :

•

konstrukcji kształtu pnia

•

krzywizny pnia

•

sęków

•

pęknięć

•

zabarwień : sinizna oraz zgnilizna twarda lub miękka

•

korozja biologiczna drewna

•

grzyby niszczące drewno

•

Owady niszczące drewno

•

kołatek domowy

•

spuszczel pospolity

Drewno stosowane w budownictwie
Rodzaje drewna budowlanego:

•

sosnowe (miękkie, o dużej wytrzymałości i sprężystości)

•

świerkowe (trudniejsze w obróbce, duża liczba sęków,mniej sprężyste ale trwałe w
warunkach stałej wilgotności)

•

jodłowe (miękkie, nieodporne na działanie wilgoci, wytrzymałość i sprężystość
porównywalna do drewna świerkowego)

•

dębowe (duża wytrzymałość ale podatne na wilgoć; stosuje się na kliny, klocki, podkładki
itp.)

Właściwości mechaniczne drewna

•

Wytrzymałość drewna na ściskanie

zależy od wielu czynników:

o

ciężar objętościowy

o

wilgotność

o

stosunek zawartości drewna wczesnego do
drewna późnego w słojach rocznych

o

liczba, stan i usytuowanie sęków

o

kierunek włókien

o

temperatura

Dla tego samego rodzaju drewna wytrzymałość jest zależna od

położenia sił względem słojów oraz kierunku włókien.
Schemat badania wytrzymałości na ściskanie próbek małogabarytowych, w zależności od kierunku działania
siły w stosunku włókien a) stycznie do słojów, b)
w kierunku promieniowym, c)pod kątem 45° do słojów rocznych
Według PN-79/D-04102 i PN-77/D-04229 badanie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się na próbkach
prostopadłościennych wymiarach 20x20x30 mm (wymiar 30 mm mierzony wzdłuż włókien).

. właściwości mechaniczne drewna
- wytrzymałość na ściskanie, zginanie, rozciąganie, ścinanie i docisk miejscowy. Rozróżnia się wytrzymałość
doraźną i trwałą. Wytrzymałość zależy przede wszystkim od kierunku działania sił w stosunku do włókien,
długotrwałości działania obciążeń i wilgotności;
- moduł sprężystości przy ściskaniu, zginaniu i rozciąganiu zależny, podobnie jak wytrzymałość, od kierunku
działania sił w stosunku do włókien i od wymienionych poprzednio parametrów;
- moduł odkształcenia postaciowego, zależny od wymienionych poprzednio parametrów.
Wytrzymałość, moduł sprężystości i moduł odkształcenia postaciowego są najważniejszymi właściwościami,
wpływającymi bezpośrednio na projektowanie konstrukcji drewnianych. Oprócz nich rozróżnia się jeszcze takie
mechaniczne właściwości drewna, jak odporność na uderzenia, twardość, ścieralność, łupliwość, giętkość i inne.
Z uwagi na anizotropową budowę drewna, charakterystyki spręży sto-wytrzymałościowe określa się oddzielnie
dla kierunku wzdłuż włókien i prostopadle (ukośnie) do włókien. Uwzględnia się kierunek poprzeczny, styczny i
promieniowy.
wytrzymałość doraźna na ściskanie. Wytrzymałość doraźna na ściskanie drewna sosnowego wzdłuż włókien
wynosi średnio 40-50 MPa, co stanowi ok. 40-50% wytrzymałości na rozciąganie podłużne (tabl. 2-1). Odróżnia
to drewno od betonu i materiałów kamiennych, w których wytrzymałość na ściskanie jest kilkakrotnie wyższa
niż na rozciąganie. Granica proporcjalności przy ściskaniu drewna drzew iglastych wynosi 0,71-0,78, a drzew
liściastych 0,6-0,7 wytrzymałości doraźnej. Wytrzymałość drewna na ściskanie w poprzek włókien (w kierunku
stycznym i promieniowym) jest znacznie niższa niż wzdłuż włókien i wynosi średnio 5 MPa.
W górnictwie przy doborze drewna do wykonywania obudowy górniczej szczególne znaczenie mają tzw.
ostrzegawcze właściwości drewna. Polegają one na tym, że między wystąpieniem siły krytycznej
sygnalizowanym przez głośne trzaski pękającego drewna a złamaniem stojaków sosnowych upływa średnio 50
sekund. Jest to czas, którym dysponuje górnik na opuszczenie zagrożonego wyrobiska.
wytrzymałość doraźna na rozciąganie. Wytrzymałość drewna bez wad, określona na małych próbkach (o
wymiarach normowych), wynosi ok. 100 MPa, a więc jest stosunkowo wysoka, najwyższa spośród innych
mechanicznych właściwości drewna. Granica proporcjonalności dla drewna drzew iglastych jest równa 0,8, a dla
liściastych 0,7 wytrzymałości doraźnej na rozciąganie wzdłuż włókien. Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek
włókien jest bardzo mała i wynosi dla drewna sosnowego w kierunku promieniowym 2,4%, a w kierunku
stycznym 4,1% wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien.
Wysoka wytrzymałość na rozciąganie uzyskiwana na próbkach normowych charakteryzuje jedynie właściwości
drewna bez wad. W stosowanych w budownictwie asortymentach drewna, wytrzymałość ta ulega bardzo
dużemu zmniejszeniu z uwagi na sęki i odchylenia włókien od przebiegu prostoliniowego.
wytrzymałość doraźna na zginanie. Wytrzymałość na zginanie drewna sosnowego o wilgotności 15% wynosi
średnio ok. 75 MPa i jest około dwukrotnie wyższa niż wytrzymałość na ściskanie i pośrednia między
wytrzymałością na ściskanie i rozciąganie. Należy jednak pamiętać, że próbki małe, z drewna bez wad, dają
wyniki wyższe niż próbki duże, a zwłaszcza elementy budowlane z wadami dopuszczalnymi w tarcicy
budowlanej. Dlatego należy równocześnie badać próbki małe bez wad i elementy o stosowanych w praktyce
wymiarach. Przy badaniach belek w skali naturalnej zaleca się przyjęcie 11 < l/h < 15 i rozstawu podpór 4,5 m.
Granica proporcjonalności dla drzew iglastych wynosi 0,66, a dla liściastych 0,71 wytrzymałości doraźnej.
wytrzymałość doraźna na ścinanie. Wytrzymałość doraźna na ścinanie drewna sosnowego o wilgotności 15%
wynosi 7-9 MPa i nieco się różni dla kierunku promieniowego i stycznego. Drewno drzew iglastych ma znacznie
mniejszą wytrzymałość na ścinanie niż drzew liściastych. Ujemny wpływ na wytrzymałość na ścinanie
wywierają pęknięcia drewna, powodujące obniżenie jej nawet do 1/3 wytrzymałości normowej.

moduł sprężystości. Moduł sprężystości E (moduł Younga) jest to współczynnik proporcjonalności między
odkształceniem jednostkowym

ε

a wywołującym je naprężeniem

σ

wg wzoru:

σ=ε

E

moduł odkształcenia postaciowego. Moduł odkształcenia postaciowego G jest pojęciem związanym z czystym
ścinaniem. Zależność między kątem odkształcenia postaciowego y a naprężeniem stycznym jest wyznaczona za
pomocą modułu E i liczby Poissona v:

gdzie:

inne właściwości mechaniczne drewna. Inne właściwości mechaniczne drewna, tj. odporność na uderzenia,
twardość, ścieralność, łupliwość i giętkość, mają mniejsze znaczenie przy projektowaniu konstrukcji
drewnianych.

Klasy użytkowania konstrukcji

klasa 1. charakteryzująca się zawartością wilgoci w materiale odpowiadającą 20°C i wilgotności względnej
otaczającego powietrza przekraczającej 65% tylko kilka tygodni w roku; w klasie tej przeciętna zawartość
wilgoci w większości gatunków drewna iglastego nie przekracza 12%,
klasa 2. charakteryzuje się zawartością wilgoci w materiale odpowiadającą 20°C i wilgotności względnej
otaczającego powietrza przekraczającej 85% tylko przez kilka tygodni w roku; w klasie tej przeciętna zawartość
wilgoci w większości gatunków drewna iglastego nie przekracza 20%,
Budynki mało- i średniokubaturowe z drewna i materiałów drewnopochodnych
klasa 3. użytkowania odpowiada warunkom powodującym wilgotność drewna wyższą niż w klasie 2.
użytkowania; klasa ta dotyczy tylko wyjątkowych przypadków konstrukcji.
Jeżeli kombinacja obciążeń zawiera oddziaływania należące do różnych klas trwania obciążenia, wartość k

mod

należy przyjmować odpowiednio do oddziaływania w najkrótszym czasie trwania; np. dla kombinacji obciążeń
stałego i krótkotrwałego przyjmuje się wartość k

mod

jak dla obciążenia krótkotrwałego.

2. Współczynniki modyfikujące wytrzymałość w klasach użytkowania i w klasach trwania obciążenia

k

mod -

współczynnik modyfikujący wytrzymałość z uwagi na czas trwania obciążenia i wilgotność.

Jeżeli kombinacja obciążeń składa się z oddziaływań należących do różnych klas trwania obciążenia, to należy
wybrać taką wartość współczynnika

k

mod

, która odpowiada oddziaływaniu krótszemu, np. dla kombinacji

działanie stałe i działanie krótkotrwałe należy zastosować wartość

k

mod

odpowiadającą działaniu

krótkotrwałemu.
W przypadku połączeń elementów wykonanych z materiałów o różnym wpływie czasu na ich
właściwości,nośność obliczeniową należy określać, stosując współczynnik modyfikujący

k

mod

wyznaczany ze

wzoru:

k

mod

=

gdzie:

k

mod,1

i

k

mod,2

– współczynniki modyfikujące dla obu elementów drewnianych.

k

def

– współczynnik dla drewna i materiałów drewnopochodnych, oraz złączy

W przypadku połączeń elementów wykonanych z materiałów o jednakowym wpływie czasu na ich właściwości,
wartość

k

def

należy podwoić.

W przypadku połączeń dwóch elementów wykonanych z materiałów o różnym wpływie czasu na ich
właściwości, przemieszczenie końcowe należy określać stosując współczynnik odkształcenia

k

def

wyznaczony

ze wzoru:

k

def

= 2,0

gdzie:
k

def,1

i k

def,2

– współczynniki odkształcenia obu elementów.

Dla wbudowanego drewna o wilgotności równej lub bliskiej punktowi nasycenia włókien które może ulec
wysuszeniu pod obciążeniem, wartości

k

def

należy powiększyć o 1,0.

3. Nośność zginanych elementów

Elementami w przeważającej mierze zginanymi są belki. Momenty zginające w belce
powstają od obciążeń działających w jednej lub dwóch płaszczyznach.

•

Muszą być spełnione dwa warunki:

4. Nośność ściskanych elementów litych.

5. Rodzaje łączników – gwoździe, sworznie, blachy (jedno,-dwucięte-rys.).; trwałość

łączników; model zniszczenia.

Złącza w konstrukcjach drewnianych można podzielić na podatne i niepodatne. Podatne to

złącza z łącznikami mechanicznymi (stalowymi), jak śruby, gwoździe, płytki zębate itp., a
niepodatne- złącza klejone.

Połączenia tradycyjne
- Złącza ciesielskie są używane szczególnie w wiązarach dachowych. Mają niewielką

nośność i ich wykonanie jest pracochłonne (złącza na czopy i gniazda, nakładki proste, zamki
ukośne).

Połączenia na

klej

Złącza klejone

klinowe,
ukośne,
nakładkowe i
czołowe.

Złącza na płytki kolczaste
Są wykonywane z cienkiej, ocynkowanej blachy stalowej, z jednostronnie wytłoczonymi

kolcami. Są trzy typy tych płytek: GN14, GN18, GN20. Kolce są nachylone do pow. płytki
pod kątem 90stopni. Długości kolców i grubości blach są różne dla każdego typu płytki.

Łączniki gwoździowe Menig

Łączniki tego typu wykonuje się z porowatego tworzywa, w którym osadzono gwoździe (ok.
20000 gwoździ na 1m

2

).

Złącza na pierścienie zębate Geka i Bistyp.
Płytki i grubości 3mm, z obustronnie rozmieszczonymi kolcami. Minimalna średnica ma
50mm, a maksymalna- 115mm.

Złącza na zszywki
Powinny odpowiadać następującym
wymaganiom:
-być wykonane z drutu stalowego
średnicy 1,2mm o wytrzymałości na
rozciąganie R=600-800 Mpa,
zabezpieczonego przed korozją przez
ocynkowanie,
-kształt i wymiary zszywek powinny
być zgodne z rysunkiem

Połączenia na gwoździe
Gwoździe wykonuje się z drutu

przeciąganego na zimno. Na
konstrukcje drewniane należy
stosować gwoździe o przekroju
okrągłym, kwadratowym lub
trójkątnym skręcanym.

Średnica gwoździa powinna

wynosić 1/6- 1/11 grubości
cieńszego z łączonych
elementów.

Połączenia na śruby i wkręty
Są stosowane w stykach i

węzłach konstrukcji
drewnianych, przeciwdziałają
wzajemnym przesunięciom
łączonych elementów, przy czym
siły mogą być zmiennego znaku.

Nośność jednego cięcia śruby pracującej na zginanie i docisk przyjmuje się jako mniejszą z
dwóch wartości:

-ze względu na docisk

-ze względu na zginanie

Połączenia na sworznie stalowe
Wykonywane są najczęściej z prętów stalowych ze stali węglowej walcowanej o przekroju

okrągłym i średnicy 10 ÷ 24 mm. Sworznie umieszczane są w złączach według układu
prostokątnego lub przestawnego.

Długość sworznia powinna być większa od całkowitej szerokości łączonych elementów o 10

÷ 20mm a średnica nie powinna być mniejsza niż 1/20÷1/30 jego długości. Końce sworzni
powinny być oszlifowane, aby uniknąć kaleczenia drewna. Sworznie powinny dokładnie
przylegać do ścianek otworu. Uwzględnia się je w obliczeniach nośności złącza, jeżeli są
osadzone w otworach o średnicy 0,9 d .

W złączach rozciąganych, z każdej strony styku liczba sworzni nie powinna być mniejsza

niż 4 (w dwóch szeregach i dwóch rzędach). W węzłach dźwigarów kratowych nie może być
mniej niż 2 sworznie. Natomiast w złączach rozciąganych co najmniej 25% sworzni należy
zastąpić śrubami ściągającymi o tej samej średnicy co sworznie. W złączach z nakładkami
stalowymi 50% łączników powinny stanowić śruby ściągające. W każdym przypadku ilość
śrub ściągających nie może być mniejsza niż 3 (dwie śruby przy końcach nakładek i jedna
przy styku). W złączach ściskanych należy stosować minimum po 2 śruby ściskające po
każdej stronie styku.

Rodzaje zniszczeń złączy elementów z drewna i płyt drewnopochodnych:

Rodzaje zniszczeń w złączach stal-drewno:

6.

Połączenia na gwoździe

– Jedno z najbardziej popularnych połączeń stosowanych w konstrukcjach

drewnianych .

Do złączy konstrukcyjnych należy stosować gwoździe o przekroju trzpienia okrągłym,

kwadratowym i/lub trójkątnym. Połączenie jest utrzymywane dzięki siłom tarcia działającym wzdłuż osi
gwoździa oraz dzięki sztywności trzpienia. Gwozdzie wykonywane są ze stalowego pręta walcowanego
Średnica gwoździ w połaczeniach powinna wynosić:
- w elementach drewnianych złączy:
od 1/6 do 1/11 grubości najcieńszego elementu złącza,
- w elementach złączy z twardych płyt pilśniowych oraz ze sklejki o grubości do 8 mm:
d 2 mm do 4 mm,
- w elementach złączy ze sklejki o grubości ponad 8 mm:
od 2,5 mm do 4,0 mm,
- w elementach złączy z płyt wiórowych o grubości do 25 mm - od 2,5 mm do 5,0 mm.
Ogólne zasady stosowane przy połączeniach na gwoździe :



Otwory na gwoździe należy nawiercać w drewnie o gęstości charakterystycznej ρ

k

> 500 kg / m

3

.



Średnica nawierconego otworu nie powinna być większa niż 0,8 d.



Dla gwoździ gładkich głębokość zakotwienia powinna wynosić min. 8 d.



Dla gwoździ pierścieniowych i śrubowych głębokość zakotwienia powinna wynosić co najmniej 6 d.



Minimalna liczba gwoździ w złączu powinna wynosić 2.



Gwoździe wbijane wzdłuż włókien należy uważać za niezdolne do przenoszenia sił.

Dla obciążenia stałego oraz długotrwałego nie należy stosować gwoździ obciążonych osiowo.

Nie uwzględnia się nośności gwoździ na wyciąganie przy wbijaniu ich w czoło elementu oraz gdy zachodzi
możliwość obciążeń dynamicznych.

Gwoździe wbija się według układu prostokątnego lub przestawionego.

7.

Połączenia na śruby

. Połączenia na śruby w konstrukcjach drewnianych stosowane jest w typowych

połączeniach zakładkowych takich jak krokiew jętka ,czy połączenie murłaty z wieńcem zelbetowym lub
połączeniach stal-drewno .Śruba pracuje jako element ścinany , jedno lub dwu-cięta , lub zginany jak w
połączeniu sworzniowym.

*Do wykonywania złączy śrubowych należy stosować śruby o średnicy min. 10 mm znormalizowanych przez
PKN.

*Śruby w złączach należy osadzać w otworach o średnicy wielkości około 0,97 średnicy śruby.

*Wilgotność elementów drewnianych łączonych na śruby nie powinna przekraczać 18%. Wilgotność materiałów
drewnopochodnych nie powinna przekraczać 10 %.

*Przy połaczeniach śrubowych należy stosować ,stalowe podkładki zabezpieczające przed zniszczeniem
struktury drewna przy stosowaniu duzego momentu :
Podkładki pod główki i nakrętki śrub powinny mieć długość boku lub średnicę co najmniej 3d i grubość min.
0,3d.

Do obliczania złączy na śruby o średnicy do 30 mm należy stosować następujące wytrzymałości
charakterystyczne na docisk w zależności od kąta nachylenia siły w stosunku do włókien α:

f

h,0,k

= f

h,k

k

90

= 1,35 + 0,015d - dla drewna iglastego

k

90

= 0,90 + 0,015d - dla drewna liściastego

Układy rozmieszczenia śrub przyjmuje się wg rys.

W przypadku śrub obciążonych osiowo:
* Należy sprawdzić nośność śrub na rozciąganie oraz grubość podkładki.
* Naprężenie obliczeniowe na docisk pod podkładką nie powinno przekraczać 1,8 f

c,90,d

.

10. Projektowanie usztywnień ściennych i stropowych

Postanowienia ogólne

Aby zapobiec utracie stateczności lub nadmiernym ugięciom, należy stężać konstrukcje, które nie są
wystarczająco sztywne.
Należy brać pod uwagę naprężenia powodowane niedokładnościami geometrycznymi i konstrukcyjnymi oraz
ugięciami wstępnymi (w tym współudział poślizgu połączeń).
Siły w usztywnieniach należy określać dla najbardziej niekorzystnej kombinacji niedokładności konstrukcyjnych
i ugięć wstępnych.

Pojedyncze elementy ściskane

Początkowe odchyłki od prostoliniowości pojedynczych elementów ściskanych, wymagających bocznego
podparcia o rozstawie

a

, nie powinny przekraczać

a

/500 – dla elementów klejonych warstwowo lub

wykonanych z LVL, i

a

/300 – dla innych elementów.

Podatność C każdej podpory pośredniej powinna być nie mniejsza niż

k

s

– współczynnik poprawkowy

N

d

– średnia obliczeniowa siła ściskająca

w elemencie

a

– długość przęsła

Za obliczeniową siłę stabilizującą

F

d

na każdej podporze należy przyjmować

k

f,1

i

k

f,2

są współczynnikami poprawkowymi

Obliczeniową siłę stabilizującą

F

d

dla ściskanej strefy belki o przekroju prostokątnym wyznaczamy:

M

d

- maksimum obliczeniowego momentu zginającego działającego na belkę o wysokości

h.

Usztywnienia zespołu belek lub kratownic

Zespół

n

równoległych elementów, wymagających bocznego podparcia w punktach pośrednich, należy

usztywnić w sposób zapewniający jednoczesne przeniesienie zewnętrznych sił
poziomych (np. wiatr) i przeciwstawienie się równomiernie rozłożonemu obciążeniu wewnętrznemu

q

:

N

d

– średnia obliczeniowa siła ściskająca w elemencie

l

– rozpiętość całkowita usztywnianego zespołu, w m

k

f,3

– współczynnik modyfikujący.

Poziome ugięcie zespołu usztywniającego, spowodowane obciążeniem

q

d

i jakimkolwiek innym obciążeniem

zewnętrznym (np. wiatr), nie powinno przekraczać

l

/500.