12. Konstrukcje drewniane: drewno jako materiał konstrukcyjny - charakterystyka, wady i zalety, drewno klejone i jego zastosowanie w budownictwie, budynki mieszkalne z drewna, konstrukcje dachów z zastosowaniem dźwigarów z drewna klejonego

Drewno jako materiał konstrukcyjny - właściwości fizyczne, mechaniczne i eksploatacyjne.

1. Właściwości fizyczne.

• gęstość ok. 500 kg/m3

• bardzo mały współczynnik rozszerzalności termicznej (szczególnie wzdłuż włókien) - nie wymaga się w budynkach dylatacji

• niski współczynnik przenikalności termicznej (szczególnie w poprzek włókien)

2. Właściwości mechaniczne.

• wytrzymałość doraźna na ściskanie wzdłuż włókien wynosi 40-50 Mpa i jest znacznie większa wytrzymałości na ściskanie w poprzek włókien (5Mpa)

• wytrzymałość doraźna na rozciąganie wynosi ok. 100 Mpa

• wytrzymałość na zginanie ok. 75 Mpa

• wytrzymałość na ścinanie ok. 7-9 Mpa

• wytrzymałości spadają przy wzroście temperatury lub wilgotności

• znaczne obciążenie długotrwałe powoduje spadek wytrzymałości na zginanie do 50%

• drewno to materiał ortotropowy i niejednorodny - np. obecność sęków powoduje zmniejszenie wytrzymałości

• drewno ma charakter anizotropowy i charakterystyki sprężysto -wytrzymałościowe inne dla kierunku wzdłuż i w poprzek włókien

• moduł sprężystości 12-18 tyś. MPa

3. Właściwości eksploatacyjne.

• drewno jest palne (pow. temp. 250'C) więc wymaga ochrony przeciw pożarowej

• drewno podatne jest na korozję biologiczną - wymagana konserwacja

• drewno odporne jest na działanie czynników chemicznych

• w Polsce najczęściej stosuje się drewno ze świerka i sosny

• norma dotyczy drewna w stanie powietrzno - suchym

Konstrukcje z drewna klejonego - zakres zastosowania oraz zasady kształtowania przekrojów elementów.

Drewno klejone jest materiałem posiadającym szerokie zastosowanie ze względu na swoje wysokie parametry wytrzymałościowe w stosunku do małego ciężaru. Na elementy klejone warstwowo stosuje się tarcicę sosnowa, i świerkową, o odpowiedniej wilgotności (w<=12%). Do klejenia używa się klejów na bazie żywic syntetycznych tj.: mocznikowo-rezorcynowych, fenolowych. Wytrzymałość spoiny > 7.0 MPa.

Zalety drewna klejonego:

• praktycznie nie istnieją ograniczenia geometryczne (przekrój, długość, kształt);

• ograniczenie wad strukturalnych drewna jako materiału;

Technologia produkcji:

• sortowanie wstępne (wizualne) tarcicy;

• suszenie i sezonowanie tarcicy;

• przygotowanie desek do formowania we wstęgi;

• formowanie wstęg;

• obróbka mechaniczna wstęg;

• kompletowanie wstęg;

• klejenie (w prasach) wstęg w elementy konstrukcyjne;

• sezonowanie elementu - stwardnienie kleju;

• obróbka mechaniczna elementu;

• impregnacja elementu (zwykle powierzchniowa);

Kształtowanie przekrojów elementów:

Układ desek w elemencie:

Wymiary desek: im cieńsze deski tym korzystniejsze właściwości drewna klejonego - ale norma tego nie uwzględnia

Grubość ograniczenie:

t<=40mm - elementy chronione przed wilgocią

t<=30mm - elementy nie chronione przed wilgocią (zalecane ze względu na możliwość awaryjnego zawilgocenia)

Szerokość:

b<=200mm - szerokość wstęgi

Połączenia:

• 
  
  
  czołowe - skośne - klinowe

Układy konstrukcyjne:

1. Ramy:

• 
  
  
  sztywne - słupowo - ryglowe

- układy jednoprzegubowe

- układy trójprzegubowe

2. Łuki:

- sztywne - trójprzegubowe

Drewniane konstrukcje szkieletowe i płytowo-tarczowe .

Ten typ budownictwa ma szerokie zastosowanie w budownictwie niskim, także dla budynków wielokondygnacyjnych użyteczności publicznej(kościoły, szkoły).Jest to budownictwo tanie , energooszczędne i komfortowe. Do budownictwa stosuje się tarcicę ogólnodostępną, odpowiedniej wilgotności, zabezpieczoną przed czynnikami atmosferycznymi.

Wyróżniamy kilka rodzajów szkieletu:

• szkielet płytowy (z płaszczyzną roboczą) - dźwigary stropowe pierwszej kondygnacji są pokryte ślepą podłogą tworząc płaszczyznę. Zapewnia ona łatwo dostępne powierzchnie robocze na których montuje się ściany zewnętrzne i wewnętrzne działowe i stawia do pionu. Ta konstrukcja jest najpopularniejsza w budownictwie mieszkaniowym.

• szkielet bez płaszczyzny roboczej: - słupki ścian zewnętrznych przechodzą przez kilka kondygnacji, dźwigary stropowe l kond. i słupki ścian zewn. opierają się o podwalinę, zaś 2 kond. na podłużnicach wpuszczonych w słupki ścian zewn. Ogranicza to możliwość odkształceń szkieletu. Jednak ze względów montażowych jest rzadko stosowane.

• konstrukcja belkowo-płytowa - belki o rozstawie 2.5m są tak dobrane aby przenieść obciążenie stropu i dachu. Na stropach i dachach układa się deski 5cm stanowiące ślepą podłogę i sufit. Belki stropowe i dachowe opierają się na słupach szkieletu. Dodatkowy szkielet między słupami pozwala na zamocowanie poszycia ścian.

• Konstrukcja szkieletowo-kratowa: stabilność całej konstrukcji zależy od szkieletu i od warstw ślepej podłogi oraz poszycia dachowego. Kratownice stropowe i dachowe oraz metalowe zakotwienia podwyższają sztywność konstrukcji, umożliwiając równoczesne zwiększenie rozstawu elementów pod belki stropowe i dachowe.

ZŁĄCZA: najpopularniejsze połączenie dla tarcicy to gwoździe - same lub z metalowymi łącznikami i klejami. Największą nośność gwoździ, gdy obciążenie prostopadłe, najmniejsze, gdy równolegle. Dla słupków i płyt szkieletu, najlepsze są gwoździe wbijane ukośnie pod kątem 30°.Stosuje się także: kotwy stalowe, wieszaki.

FUNDAMENTY:

• betonowe: nie zbrojone i zbrojone (w zależności od gruntu),ściany fundamentowe-betonowe lub murowane z cegły pełnej, wykończone zaprawą cementową i zaizolowane. Wokół ław rozmieszcza się rurki drenarskie.

• drewniane: ze szkieletu drewnianego i poszycia ze sklejki, impregnowane ciśnieniowe - stosowane zarówno dla budynków nie-, i podpiwniczonych. Pod ławy z zaimpregnowanego drewna- daje się 10 cm w-wę żwiru lub tłucznia. Na ławach opierają się ściany szkieletu + poszycie przenoszące razem obciążenia pionowe i poziome. Dla budynków nie podpiwniczonych przestrzenie pod podłogami (teren),przykrywa się folią, należy zachować prześwit pod podłogą ok 30cm lub impregnować ciśnieniowe belki oczepowe i podłogi. Słupy i słupki piwnic podziemi użytkowych opiera się na stopach, ławach i cokołach, izolując je od el. betonowych.

ŚCIANY ZEWNĘTRZNE: szkielet i poszycie ścian montuje się przynajmniej 20cm nad pow. terenu. W ścianach budynków l-, i 2-kondygnacyjnych słupki 5xl0cm(10cm-grubość ściany),w rozstawie 40-60cm;w budynkach 3-kondygnacyjnych słupy dolnej:8xl0cm lub 5x15cm rozstaw:40cm. Słupki ustawia się grupowo w narożach i skrzyżowaniach ścian działowych.Nad otworami okiennymi i drzwiowymi stosuje się nadproża aby przenieść obciążenia pionowe. Opiera sieje na podwójnych słupkach (do 1m -słupki pojedyncze podparte klamrami stalowymi). Poszycie: zapewnia dobrą wytrzymałość konstrukcji dla obciążeń wyjątkowych (huragan, trzęsienia ziemi), przymocowane do słupków i nadproży. Poszycie stanowi sklejka płyty wiórowe, pilśniowe,. izolacyjne lub l-calowe deski - tworząc wraz z konstrukcją sztywny sprężysty szkielet. Przy zastosowaniu tynku należy ściany zewnętrzne wzmocnić w narożu el. z tarcicy lub metalowymi.

ŚCIANY WEWNĘTRZNE DZIAŁOWE:

• nośne: przenoszą obciążenia od stropów, sufitów i dachów, słupki min 5xl0cm, rozstaw 40cm dla podpierających stropy lub gdy tylko sufity 60cm;

• nienośne: słupki 5x8cm, 5xl0cm, rozstaw podobnie jw.;

STROPY: -składają się z układu podwalin podciągów, dźwigarów lub kratownic i ślepej podłogi, która przenosi obciążenie od stropu i zapewnia boczne podparcie ścian zewnętrznych.

• podwaliny na ścianach fundamentowych-z tarcicy 5x10cm lub 5x15cm, są one zakotwione w ścianach sworzniami lub płaskownikami w odstępie co 200cm;

• podwaliny na filarkach - przenoszą obciążenia pomiędzy fiarkami, przeważnie są z drewna pełnego przymocowanego za pomocą sworzni lub kotew;

• belki i podciągi: z drewna pełnego lub jako elementy złożone z tarcicy gr. 5cm zbitej gwoździami w szeregach blisko obu krawędzi co 8Ocm gwóźdź. Stosuje się także elementy klejone warstwowo. Belki opiera się na podporach o szer. min.lOcm;

• stężenia: przybita gwoździami ślepa podłoga usztywnia belki(dźwigary)stropowe, dodatkowo przybija się je do przyległych belek i nadproży, stosuje się także stężenia pośrednie co 200cm (skratowania lub el. pełne gr. 5cm),

• nadproża: szkielet otworów okiennych tworzy nadproża i wymiany, ich przekroje podwaja się przy dłuższych nadprożach ,przy dłuższych niż 150cm-opiera się za pomocą wieszaków;

• oparcie ścian działowych: umieszcza się je na podciągach lub ścianach podpierających strop; jeżeli ściany działowe nienośne są równoległe do belek(dźwigarów) stropowych - elementy te podwaja się;

• dach i strop: dźwigary stropowe muszą być przybite do płyt ścian zewnętrznych i krokwi, co stanowi połączenie w poprzek budynku ; krokwie mocuje się do płyt ścian gwoździami wbijanymi ukośnie; jętki o wym. 2.5x15cm lub 5xl5cm, mocowane do co 3-ej krokwi(co 2-ej, gdy duże wiatry);kratownice dachowe zastępują wewn. ściany nośne i umożliwiają szybki montaż szkieletu dachu. Poszycia dachu -stosuje się płyty konstrukcyjne(sklejka, płyty wiórowe i pilśniowe),lub deski-montowane dłuższym wymiarem prostopadle do krokwi;

• poszycie (oblicówka): na szkielet drewniany nakłada się elementy drewniane, płyty pilśniowe, konstrukcyjne oraz oblicówkę murowaną;

- drewniana: skośna, zachodząca na siebie, układana poziomo-przybijana gwoździami do każdego słupka; deskowo -listwowe, łączone na wpust i pióro, układana pionowo;

- murowana: opiera się na murowanej ścianie fundamentowej, mocowana za pomocą ściągów z płaskowników

przytwierdzonych bezpośrednio do słupków;

• podłogi: składają się ze ślepej podłogi, warstwy dolnej i posadzki:

- ślepa podłoga wykonana z sklejki płyt wiórowych lub z płyt pilśniowych układanych dłuższym wymiarem

prostopadle do dźwigarów, czy z desek przybijanych po przekątnej;

- warstwa dolna: kładzie się ją na ślepej podłodze, tworzy ona powierzchnię użytkowa.;

- posadzki drewniane: z drewna o gr.3/4-1 cala; zapewniają odpowiednia sztywność w kierunku prostopadłym

do dźwigarów.

III/5. Belki drewniane o przekroju złożonym łączone na łączniki mechaniczne.

W konstrukcjach drewnianych stosuje się elementy o przekrojach złożonych , zarówno z tarcicy litej jak i z drewna klejonego. Przykłady:

Elementy te łączy się za pomocą następujących łączników:

• połączenia na gwoździe: wbijane prostopadle bezpośrednio w drewno lub w uprzednio nawiercone otwory, a także do mocowania uchwytów metalowych. Ważna jest odległość pomiędzy gwoździami zarówno w rzędach jak i szeregach, powinno się przybijać gwoździe z dwóch stron elementu. W przypadku stosowania blach węzłowych lub łączników metalowych należy wbijać w uprzednio nawiercone otwory; gwoździe pracują na cięcie i wyciąganie;

• 
  
  połączenia na sworznie i śruby: przeciwdziałają wzajemnym przesunięciom łączonych, elementów przy siłach zmiennego znaku; wymiaruje się je na zginanie i docisk oraz na cięcie; należy uwzględnić osłabienie elementu;

• 
  łączniki gwoździowane Menig - nośność połączenia 1,6 MPa;

• 
  
  pierścienie zębate Geka i Bistyp: są to płytki stalowe z kolcami wciskane w drewno, nośność połączenia wzdłuż i w poprzek włókien jest podobna (10-35kN), pierścienie muszą być ściągnięte śrubami wraz z nakładkami; przenoszą one siły przez docisk;

• elementy profilowane stalowe w formie kotwi, zawiesi, uchwytów: do mocowania belek, słupów, przymocowywane za pomaca gwoździ, wkrętów, sworzni;

Przykłady połączeń elementów złożonych.

- belki podwójne - słupy podwójne

- połączenia węzłów kratownic

• 
  elementy klejone

Połączenia w konstrukcjach drewnianych.

1. Podział złączy ze względu na prace:

• złącza podatne - łączniki mechaniczne

• złącza niepodatne - połączenia klejone

2. Cechy łączników:

• przeniesienie wymaganych obciążeń

• prostota wykonania i szybkość montażu

• zapewnienie dużej sztywności połączeń i węzłów

• przystępna cena

3. Rodzaje połączeń:

1. ciesielskie: wykonywane w budownictwie tradycyjnym; są to wręby (czołowe, policzkowe, z nakładkami), czopy, zamki, gniazda i klamry; złącza te wymagają dużego doświadczenia cieśli, są pracochłonne a do ich wykonania często potrzeba dwu-, trzy-krotnego zwiększenia przekroju belki, aby złącze mogło przenieść obciążenia

2. na łączniki mechaniczne: wykonane są z blach ocynkowanych, pozwalają na zmniejszenie zużycia drewna nawet o 50%, gdyż złącza na styk, z niewielkimi otworami na gwoździe i cienkie śruby nie osłabiają przekroju elementu; nie wymagają fachowości i doświadczenia cieśli i montuje się je bez użycia skomplikowanych narzędzi; w złączach używać należy gwoździ karbowanych a nie budowlanych (łatwo wychodzą z drewna); łączniki mechaniczne muszą mieć świadectwo dopuszczenia do stosowania w budownictwie;

Wyróżniamy:

• łączniki gwoździowane (Menig)

• płytki kolczaste (Gang-Nail)

• pierścienie zębate (Geka, Bistyp) wbijane lub wciskane

• złącza zszywki (do montażu płyt gipsowo kartonowych)

• złącza na gwoździe (z drewnianymi podkładkami i nakładkami)

• złącza na śruby i wkręty

• profilowane elementy stalowe: łączniki płaskie (płytki perforowane), łączniki kątowe, kątowniki do betonu, kotwy słupów, łączniki belek, wsporniki belek, wieszaki belek, łączniki do płatew i krokwi, wsporniki do krokwi, taśmy do stężeń (zamiast wiatrownic)

3. klejone: klinowe, ukośne, nakładkowe i czołowe;

do klejenia stosuje się klej fenolowo - formaldechydowy.

W przypadku zastosowania różnych środków łączących w jednym miejscu (np. klej i gwoździe), można uwzględnić współpracę łączników tylko przy ich jednakowej podatności. W przeciwnym wypadku pod uwagę bierzemy ten łącznik, dla którego następuje mniejsze przesunięcie.

---