Budownictwo drewniane

Konstrukcje drewniane

Pierwsze dwie dekady XXI wieku to renesans zastosowania drewna w budownictwie. Architekci, poszukując harmonii z otoczeniem i klimatem, zwrócili uwagę na naturalne materiały. Takim surowcem jest drewno, które dodatkowo charakteryzuje się korzystnym bilansem energetycznym. Konstrukcja z drewna w całym procesie wznoszenia obiektu budowlanego jest kilkukrotnie mniej energochłonna od konstrukcji stalowej, ale nie tylko.

Tekst dr inż. WOJCIECH SIKORA

W 2000 roku na Światowej Wystawie EXPO 2000 w Hanowerze wiele pawilonów (między innymi: Japonii, Finlandii, Szwajcarii oraz zadaszenie nad głównym miejscem spotkań) było wykonanych z drewna. Otrzymanie w 2002 roku przez architekta Glenna Murcutt prestiżowej nagrody Pritzkera za projekt „Arthur and Yvonne Boyd Education Centre” przyczyniło się do większego zainteresowania wykorzystaniem potencjału konstrukcyjnego drewna. Do realizacji tego projektu użyto elementów konstrukcyjnych z recyklingu budownictwa drewnianego. Spowodowało to zainteresowanie drewnem jako materiałem konstrukcyjnym.

Łatwość wykonania i łatwość użycia

Drewno to materiał podatny na obróbkę mechaniczną, a nowoczesne technologie pozwalają na prefabrykację elementów. Można tu wymienić między innymi dźwigary z drewna klejonego warstwowo, wiązary (kratownice), elementy CLT, ściany szkieletowe, jak również przygotowanie w zakładach elementów na tradycyjne połączenie ciesielskie. Prefabrykuje się – czopy, gniazda „jaskółcze ogony”, ściany, stropy, dachy. To wszystko w znacznym stopniu ułatwia ich wbudowywanie i montaż. Czas budowy ulega skróceniu i pochłania mniej energii.

Znane charakterystyki wytrzymałości

Pomimo anizotropowych właściwości drewna można obliczyć konstrukcję, dobrać odpowiednie przekroje. Spośród wielu gatunków drewna w budownictwie stosuje się drewno świerkowe. Oto jego właściwości właściwości fizyczne:

  • gęstość w stanie suchym – 300-430-640 kg/m3;
  • gęstość przy wilgotności 12-15% – 340-470-680 kg/m3;
  • gęstość po ścięciu – 700-800-850 kg/m3;
  • skurcz: wzdłuż włókien – 0,3%, w kierunku promieniowym – 3,5-3,7%, w kierunku stycznym – 7,8-8,0%, objętościowy – 11,6-12,0%.

Właściwości mechaniczne:

  • wytrzymałość na zginanie statyczne – 49-78-136 N/mm2;
  • moduł sprężystości przy zginaniu statycznym – 7300-11000-21 400 N/mm2;
  • wytrzymałość na ściskanie – 33-50-79 N/mm2;
  • wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien – 21-90-245 N/mm2;
  • wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien – 1,5-2,7-4,0 N/mm2;
  • wytrzymałość na ścinanie – 4,0-6,7-12 0 N/mm2;
  • wytrzymałość na skręcanie – 5,3-9,0-14,0 M Pa;
  • udarność – 1,0-4,6-11,0 J/cm2;
  • łupliwość – 0,2-0,4 N/mm2.

Wysoki stosunek wytrzymałości do masy

Drewno świerkowe klasy C24 o gęstości ρ = 420 kg/m3 i wytrzymałości na rozciąganie 14 N/mm2 w porównaniu do stali RB500 o gęstości ρ = 7850 kg/m3 i wytrzymałości na rozciąganie 400 N/mm2 ma wytrzymałość jednostkową 332 przy 51 dla stali. Jeszcze większą różnicę na korzyść drewna widać w porównaniu stosunku modułu sprężystości do gęstości, który wynosi dla drewna 11000/430 = 25,6, a dla stali RB500 20500/7850 – 2,6. Różnica jest prawie dziesięciokrotna (tabela 1)!

Tabela 1. Porównanie parametrów wybranych materiałów [opracowanie własne]

Obfitość zasobów i ich odnawialność

Szwedzkie regulacje prawne, które obowiązują od ponad stu lat, ograniczają ilość drzew, które można pozyskać i równocześnie po ich ścięciu nakładają obowiązek sadzenia młodych drzew. Sadzi się około 2500-3000 sadzonek na hektar, co jest najbardziej ekonomiczne z powodu mechanicznego nasadzania, a w przyszłości łatwości utrzymania i pielęgnacji. Pierwsze pozyskiwanie drewna rozpoczyna się po 25 latach, a stopa zwrotu jest na poziomie 3-4%. Zapewnia to wzrost ilości drzew rosnących, a w miejscu każdego wycinanego drzewa sadzone są przynajmniej dwa kolejne. („Gospodarka leśna Vingberg”). Od tego czasu szwedzkie zasoby leśne wzrosły prawie dwukrotnie! W Polsce pozyskuje się masę drewna odpowiadającą równowartości do 60% rocznego przyrostu. W Wielkiej Brytanii gwarancją, że drewno jest produkowane i pozyskiwane z lasów na sposób zgodny ze zrównoważonym rozwojem jest certyfikat „Forestry Stewardship Council”. Jedna trzecia terytorium Francji jest zalesiona, a 60% francuskiego pozyskiwania drewna jest wykorzystywane do celów budowlanych. Ponadto zasoby te rosną każdego roku o około 85 milionów metrów sześciennych rocznie. Wszystkie te działania powodują, że mimo coraz większego zużycia drewna jego zasoby nie maleją, a wręcz przeciwnie – rosną.

Niska energochłonność

Rys. 1. Zużycie energii na 1 m2 powierzchni budynku. Źródło: M. Golański, Przegląd Budowlany 3/2011

Michał Golański w artykule zamieszczonym w „Przeglądzie budowlanym” 3/2011 przedstawia szeroką analizę efektywności energetycznej materiałów budowlanych i ich wpływu na środowisko. Między innymi przytacza badania norweskiego instytutu Norsk Treteknisk Institutt, z których wynika, że najmniej nakładów energetycznych na 1 m2 budynku jest potrzebne do wykonania kratownic drewnianych (rys. 1). Wykorzystanie drewna w budownictwie znacznie przyczynia się do walki ze zmianami klimatu poprzez ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, w szczególności CO2. W procesie fotosyntezy rosnące drzewa absorbują CO2 z atmosfery, zatrzymują węgiel (C) w drewnie i uwalniają do atmosfery tlen (O2). Drewno jest złożonym związkiem chemicznym, którego około połowa suchej masy (bezwodnej) składa się z atomów węgla. Zatem użycie 1 m3 drewna konstrukcyjnego usuwa 0,9 tony CO2 z atmosfery. Ponadto proces produkcji drewna wymaga mniej energii i jest znacznie mniej zanieczyszczający niż innych materiałów, takich jak stal i beton, które mają większy negatywny wpływ na środowisko. Zastępując te materiały drewnem, unikamy emisji CO2 (rys. 2).

Rys. 2. Zawartość CO2 w różnych materiałach budowlanych. Źródło: M. Golański, Przegląd Budowlany 3/2011

Mała przewodność cieplna

Drewno jest dobrym izolatorem. Domy drewniane nie bez przyczyny zawsze były uważane za ciepłe (tabela 2). Charakteryzują się dobrym mikroklimatem. W ścianach szkieletowych, wypełnionych na przykład wełną mineralną, i konstrukcji dachu z kratownic z ociepleniem w pasie dolnym nie występują mostki termiczne w przeciwieństwie do szkieletowych konstrukcji stalowych.

Polecane Artykuły
Tabela 2. Właściwości cieplne drewna sosnowego i świerka

Bardzo dobre parametry izolacji akustycznej

Izolacyjność akustyczna R [dB] to odporność przegrody na przenoszenie dźwięków powietrznych lub dźwięków uderzeniowych:

R = 10lg W1/ W2

gdzie: W1 – moc akustyczna padająca na przegrodę [W],
W2 – moc akustyczna przeniesiona przez przegrodę [W].


Im wyższy wskaźnik izolacyjności akustycznej, tym wyższa jest skuteczność przegrody. Dźwięk po dotarciu do przegrody może ulec odbiciu, rozproszeniu, przenikaniu oraz pochłanianiu w strukturze przegrody. Współczynnik pochłaniania dźwięku α to wielkość opisująca właściwości dźwiękochłonne materiału. Współczynnik ten przyjmuje wartości 0 ≤ α ≤ 1 (tabela 3), gdzie wartość „0” oznacza, że fala dźwiękowa została w całości odbita od materiału, a „1” świadczy o całkowitym pochłonięciu energii dźwiękowej przez próbkę. Wielkość tę można zdefiniować jako iloraz energii pochłoniętej przez powierzchnię do całkowitej energii padającej na daną powierzchnię:

α = Ea/ Ei

gdzie: Ea – energia akustyczna pochłonięta przez powierzchnię,
Ei – energia akustyczna padająca na powierzchnię.

Tabela 3. Współczynnik pochłaniania dźwięku dla różnych materiałów

Trwałość

Mianem trwałości określa się odporność drewna na działanie czynników powodujących zmiany rozkładowe. Trwałość drewna określa okres, przez jaki zachowuje ono fizyczne i mechaniczne własności na poziomie odpowiadającym wymaganiom i opiera się działaniu biologicznych procesów rozkładowych lub procesów naturalnego starzenia się drewna. Największą trwałość drewno uzyskuje w warunkach stałej temperatury i stałej wilgotności powietrza. Drewno, znajdujące się pod dachem lub w pomieszczeniach o mniej więcej stałej temperaturze w ciągu roku, może zachować swoje właściwości przez 1000-2000 lat. W takich warunkach jedynym zagrożeniem jest atak biologiczny przez owady, a właściwie przez ich larwy. PN-EN 350-2016 określa naturalną trwałość dla poszczególnych gatunków drewna (tabela 4), podając ich trwałość względną wobec:

  • grzybów w skali od 1 (bardzo trwałe) do 5 (nietrwałe);
  • chrząszczy (hylotrupes bajulus i anobium pnctatum) w skali D trwałe i S podatne oraz SH twardziel uznana za podatną;
  • termitów i świdraków morskich skala D/M/S – trwałe/średnio trwałe/podatne.

Podana jest również klasyfikacja nasycalności, na przykład impregnatem, poszczególnych gatunków drewna w klasach od 1 (łatwe) do 4 (bardzo trudne). W powietrzno-suchym drewnie mogą rozwijać się w owady:

  • spuszczel pospolity (Hylotrupes bajulus L),
  • kołatek domowy (Anobium punctatum De Geer).

Skutecznym sposobem zapobiegania obecności szkodnika jest stosowanie drewna suszonego komorowo. Wysoka temperatura suszenia powyżej 60 stopni Celsjusza skutecznie zabija jaja, larwy i inne formy życia. Zachodzące podczas suszenia zmiany chemiczne i biologiczne w drewnie powodują, że jest ono mało atrakcyjnym pokarmem dla owadów. Obróbka strugania dzięki której uzyskuje się gładką powierzchnię, bez szczelin i szpar jest utrudnieniem do „wczepienia” się samicy w powierzchnię drewna i złożeniem jaj. Stosowana impregnacja środkami chemicznymi najczęściej wielofunkcyjnymi zabezpiecza drewno przed owadami, a dodatkowo przed grzybami (w tym pleśnią) oraz powoduje, że drewno jest trudnozapalne.

Tabela 4. Klasyfikacja dla świerka pospolitego opracowanie własne na podstawie normy PN-EN 350-2016:10

Estetyka architektoniczna

W nowoczesnym budownictwa ze szkła, stali i aluminium architekci przy projektowaniu wysokiej klasy, a zarazem nowoczesnych obiektów bardzo często używają naturalnych materiałów takich jak drewno do elementów wykończeniowych, dekoracji czy widocznych konstrukcji z drewna. Są to elementy dominujące na elewacjach i wewnątrz budynków. Drewno nadaje obiektom przyjazny klimat i niepowtarzalny wygląd. Ludzie otoczeni drewnem czują się znacznie lepiej niż pośród betonu, szkła, aluminium czy tworzyw sztucznych. Pasuje do nowoczesnych projektów, jak i również do projektów klasycznych. Drewno jest ekologiczne i bezpieczniejsze dla zdrowia.

Bibliografia:

  1. Hytönen, Marjatta & Sigurdur Blöndal. 1995. Produkcja drewna i przemysł leśny. W: Hytönen, M. (red.). Leśnictwo wielofunkcyjne w krajach nordyckich . METLA, Fiński Instytut Badawczy Leśnictwa, Helsinki Research Center. p. 81-116.
  2. Dyrekcja Generalna Lasów Państwowych 2022 https://www.lasy.gov.pl/pl/drewno/skad-sie-bierze-drewno.
  3. Forest Stewardship Council United Kingdom, Powys UK.
  4. Golański M. P Wybór materiałów budowlanych w kontekście efektywności energetycznej i wpływu środowiskowego, Przegląd Budowlany 3/2011.
  5. PN-EN ISO 6946 – Komponenty budowlane i elementy budynku Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła Metody obliczania, PKN 2017.
  6. PN-EN 350 – Trwałość drewna i materiałów drewnopochodnych, Badanie i klasyfikacja trwałości drewna i materiałów drewnopochodnych wobec czynników biologicznych, PKN 2016.

WOJCIECH SIKORA
Dr inż. nauk technicznych (konstrukcje drewniane). Prezes zarządu firmy SAWE Sp. z o. o. Sp. K.
www.sawe.pl, produkującej od 40 lat konstrukcje drewniane. Specjalizujemy się w wiązarach dachowych
z litego drewna łączonego za pomocą płytek kolczastych oraz prefabrykacji domów szkieletowych.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Polecane Artykuły

Zobacz równieź
Close
Back to top button