A bambusz mechanikai tulajdonságai

Milyen mechanikai tulajdonságai vannak a bambusznak? Valószínűleg ez az egyik leggyakrabban feltett kérdés az építészek, mérnökök és a bambusz építőanyagként való felhasználása iránt érdeklődő építtetők részéről. A fa, az acél, a beton, sőt még a bambusz félkész termékek, például a padlóburkolatok és a bambuszpanelek anyagtulajdonságai is régóta rendelkezésre állnak, de a bambuszrudaké nem. Hogy miért?
"A bambusz szilárdsági tulajdonságai gyakran két-háromszor jobbak, mint a hagyományos fáé. Az építési szabályzatok és szabványok körüli jogi bizonytalanságok azonban megnehezítik a bambuszoszlopok szerkezeti építőanyagként való használatát Európában."

A bambusz a fűfélék (Gramineae) családjába tartozó több mint 1575 különböző növényfaj gyűjtőneve. E bambuszfajok mindegyike különböző szerkezeti és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, csakúgy, mint a hagyományos fafajok, például a teak, a tölgy stb. esetében. Ráadásul egy-egy bambuszfaj mechanikai tulajdonságai is nagymértékben eltérhetnek. Ezek a különbségek a bambuszszár korától, a nedvességtartalomtól, a termesztési körülményektől (éghajlat, tengerszint feletti magasság, talajviszonyok), valamint attól függnek, hogy a vizsgálatokat a bambuszszár melyik részén végzik.

Mivel a szerkezeti célokra legalkalmasabb bambuszfajok trópusi országokból származnak, gyakran nehéz a pontos termesztési körülmények kiderítése és jó vizsgálati anyag beszerzése. Ennek eredményeként a különböző vizsgálatok gyakran eltérő eredményeket adnak, ami azt jelenti, hogy az anyag viselkedése bizonyos helyzetekben még nem teljesen biztos.

Miért vannak

mechanikai tulajdonságok fontosak?

Európában még mindig nincs szabványosítás (Eurocode) a bambuszrudakra, mint szerkezeti építőanyagra. Egy ilyen bambusz építési szabályzat hiánya megnehezíti azok dolgát, akik ebből az anyagból szeretnének építeni, ezért sürgősen szükség van egyértelmű szabályokra és szabványokra.

A bambuszon már elvégzett vizsgálatok a nyomó-, húzó- és hajlítószilárdság tekintetében ígéretesek, és általában sokkal jobb eredményeket mutatnak a hagyományos építőanyagokhoz képest. Vannak azonban más tényezők is, amelyeket meg kell vizsgálni, mielőtt a bambuszrudakhoz, mint szerkezeti építőanyaghoz törvényes építési szabályzatot rendelhetnénk.

A Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO)

2004-ben a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet, röviden ISO, saját szabványt dolgozott ki a bambusz mechanikai tulajdonságainak meghatározására. Az ISO 22157 szabvány nemcsak a hajlítást, a nyomást, a húzó- és a nyírószilárdságot nevezi meg fontos tulajdonságként, hanem a nedvességtartalom is fontos paraméter.

Ebben a cikkben bemutatunk néhány vizsgálati eredményt különböző forrásokból és különböző bambuszfajtákból. Fontos megjegyezni, hogy nem minden vizsgálatot végeztek az ISO 22157 szabvány szerint, de jó általános képet ad. A Guadua angustifolia bambuszfaj esetében, amely a világ legerősebb bambuszaként ismert, az ISO 22157 szabvány szerinti vizsgálatokat Kolumbiában végezték el. Ennek eredményeit kicsit lejjebb olvashatja.

A többit lásd a tesztekkel kapcsolatos információkat tartalmazó táblázatokban. Ezeket a táblázatokat a bloghoz mellékelt PDF-ben találja.

Bambusz

Szakítószilárdság

Bambusz csíkok

A bambusz maximális szakítószilárdságát a szálak (bambuszcsíkok) és nem a teljes bambuszszár vizsgálatával határozzák meg. A nyomószilárdsághoz hasonlóan az ISO 22157 szabvány a szálak irányával párhuzamos szakítószilárdságra vonatkozóan ad iránymutatást, a szálak irányára merőleges szakítószilárdságra vonatkozóan azonban nem.

Minták

A bambusz szakítószilárdságának méréséhez bambuszszáronként három próbadarabot vizsgálnak, amelyek a szár alsó, középső és felső részéből származnak. Mindegyik bambuszcsík 100 mm hosszú, 10-20 mm széles, és a vastagsága megegyezik a bambuszszár vastagságával.

Elágazás

Minden egyes próbadarabnak tartalmaznia kell egy csomópontot, mivel a csomópont száliránya ellentétes a törzs szálirányával. Így a csomópontot tekintjük a leggyengébb pontnak húzóterhelés esetén (nyomószilárdság vizsgálatánál ez fordítva van). Az ISO 22157 szabványban előírtak szerint meg kell határozni az egyes próbatestek nedvességtartalmát is.

Következtetés

A különböző bambuszfajták átlagos szakítószilárdsága nagyrészt 160 N/mm2 körül van. Ez háromszor-négyszer nagyobb, mint a legtöbb kereskedelmi fafaj szakítószilárdsága.

Bambusz

Hajlítószilárdság

A bambuszszár kihajlása közvetlen hatással van az épített szerkezet viselkedésére, ezért szükséges, hogy a szerkezet minden egyes elemének kihajlását előre lehessen jelezni, mielőtt a szerkezetet használatba vennék. Egy gerenda vagy oszlop lehajlásának meghatározására a leggyakrabban használt módszer a négypontos lehajlásvizsgálat. Az ISO 22157 szabvány ezért ezt a vizsgálatot helyezi előtérbe egy bambusz törzs hajlítószilárdságának meghatározására.

Bambusz

A Guadua bambusz hajlítószilárdsága

Az ISO 22157 szabványban előírt négypontos hajlítási vizsgálatot a kolumbiai University de Los Andes egyetemen végezték el. A hajlítóvizsgálatot ugyanazokon a bambuszrönkökön végezték el, mint a nyomó- és nyírószilárdság meghatározására szolgáló vizsgálatokat.

A négypontos hajlítóvizsgálat során meghatározták a rugalmassági modulust és természetesen a hajlítószilárdságot is. E vizsgálat eredményei a következő táblázatban láthatók.

A Guadua angustifolia rugalmassági modulusa a törzs alsó és középső részén a legmagasabb, éspedig akkor, amikor a törzs 4-5 éves. Nem ez a helyzet a törzs felső részén, ahol a legnagyobb rugalmassági modulus 3-4 éves korban érhető el, hasonlóan a nyomóvizsgálat során a rugalmassági modulus meghatározásához.

A bambusztörzs hajlítószilárdsága sem azonos a három rész esetében, a bambusztörzs felső része nagyobb hajlítószilárdsággal rendelkezik, mint az alsó rész. A hajlítószilárdság a törzs magasságával nő. A Guadua angustifolia hajlítószilárdsága körülbelül 100 N/mm2 .

Bambusz

Nyírófeszültség

A bambuszszár által elviselhető maximális nyírófeszültség fontos az illesztési rendszerek fejlesztése szempontjából. Az ISO 22157 szabvány ismét iránymutatást ad a szálak irányával párhuzamos nyírófeszültségre, de a szálak irányára merőleges nyírófeszültségre nem.

Az előző vizsgálatokhoz hasonlóan bambusztörzsenként három próbadarabot vizsgálnak a törzs alsó, középső és felső részéből. A különbség a nyomóvizsgálat próbatestjeihez képest az, hogy ebben a vizsgálatban a próbatestek felének tartalmaznia kell egy csomópontot.

A vizsgálat megkezdése előtt a próbadarabot részletesen megmérik. A négy zónában, ahol a nyírásra sor kerül, megmérjük a próbatest magasságát és a törzs vastagságát. Ez azért fontos, mert a bambusz törzse nem biztos, hogy mindenhol egyforma vastagságú, és a próbatest nem biztos, hogy teljesen egyenes.