2 Svojstva

Drvo je jedan od najstarijih materijala za građenje i uz kamen i opeku bio jeosnovni materijal konstrukcija. U pravilu, vertikalne konstrukcije građevina(zidovi, stupovi) izvodile su se iz kamena i ponegdje opeke, dočim sumeđukatne i krovne konstrukcije bile drvene.

Drvo je prirodan, ekološki čist materijal čija se proizvodnja odvija u "tvornici"čije je ime šuma. Koristi ove "tvornice" svima su nam poznate, ta tvornica imasamo jednu manu a to je vrlo dug proces proizvodnje. Tu proizvodnju, upravilu počinje jedna a završava druga generacija. Mi smo, na žalost potrošili naslijeđeno, a u naslijeđe ne ostavljamo dovoljno.Ovu problematiku mora regulirati država planiranom eksploatacijom šumskogbogatstva sa minimalnim principom stablo za stablo. Danas u graditeljstvu dominiraju armirano-betonske konstrukcije, slijede ihčelične. Eksploatacija i proizvodnja baznih sirovina za ove materijale: kameniagregati (kamenolom), cement, čelik imaju teške posljedice na okoliš.Tehnologije proizvodnje ovih materijala ni u svijetu pa ni kod nas nisu još postigle potrebnu razinu ekološke prihvatljivosti. I na kraju vijeka trajanja konstrukcije, razgradnja (reciklaža) drva kaoprirodnog materijala ekonomski i ekološki je najprihvatljivija. U prošlosti period stagnacije drvenih konstrukcija nastaje prodorom čelika iarmiranog betona u graditeljstvo. Ovi materijali, posebno armirani beton(jednostavnost izvedbe) potiskuju upotrebu drva i ono postaje materijalgradnje pomoćnih konstrukcija (skele i oplate). Iako srećemo zavidne domete(primjerice skela i oplata za izvedbu lukova mosta Plougastel : Freyssinet3x186 m, 1925-30), ipak su to samo privremene konstrukcije koje nestajubez traga, osim u literaturi, nakon izvedbe stalnih.

Međutim, iza drugog svijetskog rata drvo se počinje sve više i višeupotrebljavati za izvedbu stalnih suvremenih građevine. Ovo treba zahvaliti novim saznanjima u području samog materijala ali irazvoju novih tehnologija spajanja i proizvodnje elemenata na bazi drva. Osobno smatram da je kemijska industrija, koja je omogućila proizvodnjurelativno jeftinih a vrlo pouzdanih ljepila – sintetičkih smola najzaslužnija zataj razvoj. Ovdje dolaze do izražaja pozitivne karakteristike materijala :

- male zapreminska težina (600 - 800 kg/m³) : 13 puta lakše od čelika, 4 puta od betona - velike čvrstoće, posebno vlačna u smjeru vlakanaca - laka obrada - velike mogućnosti oblikovanja poprečnog presjeka - sloboda u oblikovanju linija i dužine nosača - praktično neograničena- mala osjetljivost na temperaturne promjene - otpornost na neke agresivne utjecaje (sol, fosfati itd) - estetska svojstva

Prirodno porijeklo ovog materijala donosi sa sobom i niz nedostataka :

- nehomogenost - anizotropiju - zapaljivost - promjena mehaničkih svojstava i volumena kod promjene vlažnosti

Ove nedostatke današnje suvremene tehnologije pokušavaju svesti upodnošljive okvire jakom kontrolom kakvoće upotrebljenih materijala,eliminiranjem dijela materijala sa greškom, primjenom sredstava za zaštitu od vlage, gljivica i insekata te za podizanje vatropožarne otpornosti. Osim ovoga, potrebno je posvetiti punu pažnju pravilnom projektiranju i oblikovanjukonstrukcija, izradi, montaži i ugradnji, te posebno održavanju drvenihkonstrukcija.

Nešto o protupožarnoj sigurnosti drvenih konstrukcija, o vlažnosti, nehomogenosti i anizotropiji kasnije : Protupožarnu sigurnost karakteriziraju dva kriterija :

1. Zapaljivost materijala 2. Ponašanje konstrukcije pod djelovanjem požarnih temperatura

Djelovanje ekstremnih požarnih temperatura, s konstruktorskog aspekta,uništava sve građevne materijale u relativno kratkom roku, pa tako ikonstrukcije iz negorivih materijala. Drvo se zapaljuje kod temperature 250º do 300º C što je posljedica njegovogkemijskog rastvaranja porastom temperature okoline (predgrijavanje). Urealnom požaru brzo se postižu temperature iznad 500º C. U tim uvjetimadolazi do pougljenja vanjske zone nosača sa brzinom stvaranja sloja od 0,8mm/min za četinare odnosno 0,6 mm/min za tvrda drva.

Neizgoreni materijal neznatno gubi svoja elastomehanička svojstva i u stanjuje preuzeti neka opterećenja. Kod čeličnih i armiranobetonskih konstrukcija požarne temperature između400º i 600º stupnjeva pogubne su za konstrukcije, iako materijali nisuzapaljivi. Kod čelika vrijeme otkazivanja ne ovisi o veličini poprečnih presjeka,dočim kod armiranog betona vrijeme otkazivanja ovisi o debljini zaštitnogsloja (porast temperature armaturnog čelika).

Za osiguranje sigurnosti drvenih konstrukcija u požaru propisane sudimenzije poprečnih presjeka za 30 minutnu odnosno 60 minutnu otpornost (klase F30 i F60) prema DIN 4102. U klasu F30 spadaju elementi koji nakon 30 min požara : - zadrže nosivost maksimalnog računskog opterećenja - ne prekorače brzinu prirasta progiba ∆f / ∆t = L² / 9000 h ∆f / ∆t – brzina prirasta progiba u cm/min L – raspon u cm h – visina poprečnog presjeka u cm U klasu F60 spadaju elementi koji zadovolje gornje uvjete u 60 minutnompožaru. Minimalne dimenzije nosača koje zadovoljavaju gornje klase (greda istupova) dane su tabelarno – prema DIN i prema našim normama.

Protupožarna otpornost može se podići :

- konstruktivno (povećanjem dimenzija) – drvo - protupožarnim premazima – drvo, čelik - zaštitnim izolacionim oblogama – svi, kod drva nepopularno - hlađenjem – čelik

Činjenica je da protupožarnu sigurnost građevine ne možemo gledati samo kroz sigurnost konstrukcije. Možda je to i manje važno, možda je važnijeosigurati brzu i efikasnu evakuaciju u početku požara i ugradnju ostalihmaterijala (obloge, zavjese, namještaj itd) koji će biti takvih karakteristika dau uvjetima požara ne ugroze korisnike.

BOTANIČKA DEFINICIJA Drvo je organski materijal nehomogen u organskom, anatomskom i fizičkomsmislu. Botanička definicija kaže da je drvo odrvenjena biljka koja se sastoji odpodzemnog dijela - korijena i nadzemnog dijela - stabla. Stablo dijelimo nadeblo i krošnju. U procesu vegetiranja korijen i krošnja imaju fiziološku a deblo mehaničkufunkciju. Za drvene konstrukcije praktičnu vrijednost ima deblo i dio krupnih grana krošnje (u proizvodnji ploča na bazi usitnjenog drva).

POPREČNI PRESJEK DEBLA Kora drva je njegova zaštita od vanjskih upliva, a sastoji se od :

- mrtve kore - like - kambija

Kambij svake godine generira jedan god bijeli tako da se u ovom dijelu odvijaproces rasta i taj dio ima fiziološku funkciju. Osržavanjem godova bijeli odumiru žive stanice, u drvu nastaju kemijske i anatomske promjene a djelovikoji iz bijeli pređu u srž gube fiziološku i preuzimaju mehaničku funkciju u procesu rasta. Nehomogenost poprečnog presjeka je očita, ona je izražena čak i u mikrostrukturi godova. God je godišnji prirast, prsten vlakanaca cjevastog tipa. Zimi se rast prekida apočetkom vegetiranja (proljeće) u uvjetima obilja vlage i sunca formiraju secjevasta vlakna većih otvora i propusnosti a tanjih stijenki – tzv rano drvo. Kasno drvo nastaje tijekom ljeta i jeseni, u uvjetima manjka vlage i usporenograsta kad se formira provodno tkivo manjih otvora i debljih stijenki. Kasno drvo je tamnije boje, veće gustoće i boljih mehaničkih svojstava. Iz tog razloga je drvo (unutar jedne botaničke vrste) tanjih godova teže i bolje te je ovo jedan od parametara kod klasifikacije materijala.

KLASIFIKACIJA DRVENE GRAĐE Prema kvaliteti, drvenu građu klasificiramo u kvalitetne razrede i to drvočetinara u tri a drvo lišćara u dva kvalitetna razreda : I klasa građa visoke nosivosti II klasa građa normalne nosivosti III klasa građa male nosivosti II klasa četinara drvo je koje se najčešće koristi za drvene konstrukcije. Na nacrtima klasa i vrsta moraju biti posebno naznačeni, ukoliko nisupodrazumijeva se da se radi o II klasi četinara. Klasifikacija se provodi prema standardu HRN UD0.001 :

OPTEREĆENJA 1. GRUPA – OSNOVNA OPTEREĆENJA FAKTOR 1,00 2. GRUPA – DOPUNSKA OPTEREĆENJA FAKTOR 1,15 3. GRUPA – NAROČITA OPTEREĆENJA FAKTOR 1,50

1. GRUPA A) Vertikalna opterećenja B) Horizontalna opterećenja - Stalna opterećenja - Vjetar (kao samostalno opt.) - Pokretna ili korisna opt. 2. GRUPA

- Vjetar (ako ne djeluje kao samostalno opterećenje) - Opterećenja skela i oplata svježim betonom - Opterećenja privremenih konstrukcija - Trenje na ležajevima - Sile kočenja motornih vozila - Sile koje nastaju kao posljedica skupljanja i bubrenja drva

3. GRUPA

- Potresne sile - Utjecaj pomaka ležajeva - Pritisak leda - Udar vozila - Požarno opterećenje do 30 minuta

SVOJSTVA DRVA

- Kemijska - Fizička - Mehanička - Termička - Električna - Akustična - Estetska

KEMIJSKA SVOJSTVA Elementarni sastav suhog drva gotovo je isti za sve vrste, otprilike 50% ugljika 43% kisika 6 % vodika 1 % dušika Prosječni kemijski sastav četinjara i lišćara dan je u donjoj tablici :

FIZIČKA SVOJSTVA Vlažnost i promjena volumena Od fizičkih svojstava drva od osobite važnosti je vlažnost jer voda u drvuznatno utječe na njegova fizička i mehanička svojstva. Vlažnost utvrđujemo vlagomjerom ili laboratorijskim ispitivanjem premanormiranoj metodologiji : min 5 uzoraka, dimenzije 20/20/20 cm, temperaturasušenja 103 ± 2º C. Nakon potpunog gubitka vlage (kontrolna vaganja-stalna težina) vlažnost seodređuje izrazom : G – Gs G – težina uzorka prije sušenja V (%) = ------------ x 100 Gs Gs – težina apsolutno suhog uzorka Voda u drvu dijeli se na slobodnu i vezanu vodu. Slobodna voda naziva se i kapilarna jer ispunjava šupljine stanica. Vezana voda dijeli se na higroskopnu i kemijski vezanu vodu. Kod sušenja najprije ispari slobodna voda, nakon nje higroskopna. Kemijski vezana voda ne isparava (osim kod zapaljenja). Nakon isparenja higroskopne vode stanice se skupljaju što ima za posljedicusmanjenje dimenzija odnosno volumena drva. Upijanjem vlage iz okolnog zraka drvo povećava volumen. Kolebanje volumena kod promjene vlage u određenim granicama zove seskupljanje i bubrenje. Higroskopna ravnoteža je ravnoteža pritisaka vodene pare u okolnom zraku ikapilarama drva i ona se stalno uspostavlja ovisno o relativnoj vlažnosti itemperaturi zraka okoline. Ovaj proces očit je u higroskopnom području(područje 0 – 30 % vlažnosti).

Skupljanje i bubrenje drva veliki je nedostatak ovog materijala, tim više što je promjena dimenzija različita za uzdužni, radijalni i tangencijalni smjer : Osim ovoga, kolebanje vlažnosti direktno utječe i na mehanička svojstva drva.

MEHANIČKA SVOJSTVA DRVA Mehanička svojstva drva analizirat ćemo na σ-ε dijagramima normiranim postupkom na uzorcima borovine bez greške, vlažnosti 15%, uz brzinunanošenja opterećenja od 3,0 kN/cm²/min.

Tlačna čvrstoća Čvrstoća paralelno s vlakancima Granica proporcionalnosti σp je za četinare na 50 – 75 % a za lišćare na cca 85 % sile loma. Lom nastaje kao posljedica izvijanja vlakanaca kasnog drva koji se utiskuju uzone vlakanaca ranog drva. Lomna čvrstoća uzorka borovine je 3,5 do 5,0 kN/cm². Čvrstoća okomito na vlakanca Opće karakteristike ovog dijagrama jesu male čvrstoće i velike deformacije. Uočljiva su tri karakteristična područja:

- Početni Drvo se ponaša elastično,deformacije su proporcionalne naprezanju - Srednji Vidi se veliko povećanje deformacija uz neznatan prirast naprezanja - Završni

Deformacije se smanjuju uz prirast naprezanja U završnom području dolazi do loma stijenki cjevastih vlakanaca čime sepovećava zbijenost a time i otpor opterećenju. Do početka loma i zbijanjadolazi već u srednjem karakterističnom području. Granica proporcionalnosti σp kod četinara je cca 35% a kod lišćara cca 70% lomne čvrstoće.

Vlačna čvrstoća paralelno sa vlakancima Vlačna čvrstoća je vrlo visoka i kreće se u granicama 8,00 – 10,0 kN/cm². Dijagram je gotovo pravolinijski, granica proporcionalnosti je vrlo visoko, sasvim blizu lomne granice, područje loma je vrlo usko. Navedene karakteristike su karakteristike krtog materijala.

Vlačna čvrstoća okomito na vlakanca Vlačna čvrstoća okomito na vlakanca je zanemariva. Ovu vrstu naprezanja nazivamo još i naponom cijepanja. U drvenim konstrukcijama ovakva naprezanja nisu dopuštena i treba ih izbjegavati odnosno preuzimati posebnim konstruktivnim mjerama.

Čvrstoća na savijanje Uočljiva su tri stadija ovisno o nivou naponskog stanja:

1. Elastično područje, vrijedi Hookeov zakon i Navierova hipoteza ravnih presjeka. Normalna naprezanja su linearno raspoređena prema neutralnoj osi i ispod su σp na rubnim vlakancima i u vlaku i u tlaku. 2. Na rubnim tlačnim vlakancima naprezanja prelaze σpc i pojavljuju se

plastične deformacije. Naprezanja rubnih vlačnih vlakanaca i dalje suispod σpt. U tlaku dijagram dobija parabolični oblik, u vlaku je i daljelinearan. Neutralna os se pomiče prema vlačnim rubnim vlakancima.

3. Povećanjem opterećenja ulazimo u treći stadij - stanje pred lom. Produbljava se plastifikacija u tlačnoj zoni, neutralna os se pomiče jošviše prema vlačnom rubu, vlačni rubni naponi rastu.

Pomicanje neutralne osi prema rubnim vlačnim vlakancima posljedica jeuspostavljanja ravnoteže unutrašnjih sila; površine pod dijagramima iznadneutralne osi (u tlaku) i ispod nje (u vlaku) moraju biti iste. Konačno, dolazi do loma koji se lažno manifestira kao kidanje vlačnih rubnih vlakanaca. Naime lom nastupa ranije, čak u drugom stadiju kada dolazi dogubitka stabilnosti rubnih tlačnih vlakanaca koja se izbočavaju i nabiru.

Posmične čvrstoće Rezultati laboratorijskih ispitivana posmične čvrstoće su relativni zbognemogućnosti simuliranja posmičnog naprezanja onako kako ono javlja ukonstrukcijama. Ispitivanjima se u uzorke unosi moment savijanja koji ima zaposljedicu neka druga normalna naprezanja. Dijagrami ispitivanja uzorka borovine za moguća posmična naprezanja:

- Posmična čvrstoća na odrez kreće se u granicama 3,0-5,0 kN/cm² što je visoko ali je praktično bez značenja jer je ovakvo opterećenjepraćeno velikim deformacijama gnječenja (tlak okomito na vlakanca)pa je mjerodavna ta čvrstoća.

- Posmične čvrstoće u ravnini vlakanaca u smjeru vlakanaca ili okomito

na njih približno su iste i kreću se u granicama od 0,6-0,7 kN/cm².

Trajna čvrstoća Ispitivanja su pokazala da modeli istih dimenzija i kvalitete drva ali opterećenikroz dugi period različitim intezitetima stalnog opterećenja neće istovremeno doživiti lom. Krivulja trajne čvrstoće ima asimptotski rakakter, pokazuje dakod nižih nivoa naprezanja do loma dolazi kasnije dočim kod visokihtrenutno. Očito je da čvrstoća pada prema graničnoj vrijednosti – trajnoj čvrstoći koja se kreće u granicama 45% - 60% od čvrstoća dobijenih na brzo opterećenimuzorcima.

Kod dugotrajnih opterećenja javljaju se osim elastičnih i plastičnedeformacije. fo trenutna početna deformacija (odmah po poterećenj) 1-2 povećanje deformacije u vremenu uz nepromjenjeno opterećenje 2-3 trenutna povratna deformacija (u času rasterećenja) 3-t zaostala deformacija koja teži konačnoj vrijednosti Vremenska deformacija različita je za nivoe naprezanja iznad i ispod trajnečvrstoće. Krivulja 1 pokazuje deformaciju ovisno o vremenu za modele opterećene naprezanjem koje ne prelazi granicu trajne čvrstoće. Deformacija se vremenski prigušuje i teži konačnoj veličini. Krivulja 2 opisuje ponašanje kod modela opterećenih naprezanjem iznadnivoa trajne čvrstoće. Deformacija se vremenom povećava sve do lomamodela. Proces stalnog povećanja deformacija uz djelovanje istog opterećenja zovese puzanje materijala a etapa u kojoj je prirast deformacija linearan zove setečenje materijala.

Konstante elastičnosti

TERMIČKA SVOJSTVA Koeficijent termičkog linearnog istezanja, specifična toplina i vodljivost topline(vidi u literaturi). Treba naglasiti da je veličina koeficijenta linearnog istezanja za drvo uodnosu na beton i čelik mala pa se u drvenim konstrukcijama ne predviđaju temperaturne dilatacija. ELEKTRIČNA SVOJSTVA (vidi u literaturi) AKUSTIČNA SVOJSTVA Brzina rasprostiranja zvuka u drvu i upijanje zvuka (vidi u literaturi) ESTETSKA SVOJSTVA Estetska svojstva drva jesu boja, sjaj, miris, finoća i tekstura. Boja ovisi prvenstveno o vrsti, manje o staništu i klimi. Sjaj je svojstvo drva da reflektira svjetlo, ovisi o vrsti, građi i obradi. Miris ovisi o sadržajima (drvna tvar je bez mirisa) ovisno o staništu. Finoća ovisi o anatomskoj građi, pravilnosti toka i rasporeda vlakanaca.

Tekstura je izgled mehanički obrađenih površina. Ovisi o anatomskoj građi, obiku debla, načinu obrade i rezu (poprečni, radijalni,tangencijalni i spiralni – kod furnira).

TRAJNOST DRVA Trajnost drva je svojstvo da se odupire štetnom utjecaju atmosfere, raznihkemijskih tvari te štetoćinama biljnog i životinjskog podrijetla a kreće se odnekoliko mjeseci do praktično neograničenog broja godina (ovisno o okolini inačinu ugradnje).

TABLICA DOPUŠTENIH NAPONA I KOREKCIONI FAKTORI (VLAŽNOST)

DOPUŠTENI TLAČNI NAPON POD KUTOM PREMA VLAKANCIMA σc<αd = σc║d – (σc║d – σc┴d ) • sinα

PRORAČUN DEFORMACIJA Proračun deformacija po HRN može se provesti na dva načina:

1. Za ukupno opterećenje ne vodeći računa o trajanju opterećenja 2. Uzimajući u obzir trajanje opterećenja tj podjelom opterećenja na:

- kratkotrajna (opterećenja trajnosti do 3 mjeseca) - dugotrajna (stalna i opterećenja trajnosti preko 3 mjeseca)

U 1. slučaju koriste se vrijednosti osnovnih modula sa korekcijom za vlažnostpreko 18% :

U 2. slučaju zasebno se računaju deformacije i to za kratkotrajna opterećenjasa vrijednostima osnovnih modula bez ikakvih korekcija. Za dugotrajna opterećenja proračun se provodi sa vrijednostima reoloških modula :

Eφ = Eo / (1+φ) Gφ = Go / (1+φ) pri čemu su Eo i Go vrijednosti osnovnih modula a član 1+φ vrijednost kojaovisi o nivou iskorištenja presjeka (σ/σdop) i vlažnost konstrukcije ueksploataciji ∆Φ u odnosu na vlažnost 15%.