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Stèphane
17 / 11 / 2016

Le proprietà meccaniche

da Bamboo

Quali sono le proprietà meccaniche del bambù? È probabilmente una delle domande più frequenti poste da architetti, ingegneri e proprietari di edifici che sono interessati a utilizzare il bambù come materiale da costruzione. Le proprietà dei materiali per il legno, l'acciaio, il cemento e persino i semilavorati di bambù come i pavimenti e i pannelli di bambù sono disponibili da molto tempo, ma questo non è il caso dei pali di bambù. Perché?

"Le proprietà di resistenza del bambù sono spesso da due a tre volte migliori di quelle del legno convenzionale. Tuttavia, le incertezze legali che circondano i codici e gli standard di costruzione rendono difficile l'uso dei pali di bambù come materiale da costruzione strutturale in Europa".

Bambù è un nome collettivo per più di 1575 specie di piante diverse appartenenti alla famiglia delle graminacee (Gramineae). Ognuna di queste specie di bambù ha diverse proprietà strutturali e meccaniche, proprio come le specie di legno convenzionali come il teak, la quercia, la balsa, ecc. Inoltre, le proprietà meccaniche di una singola specie di bambù possono anche variare ampiamente. Queste differenze sono dovute al età dello stelo di bambù, il contenuto di umiditàil condizioni di crescita (clima, altitudine, condizioni del suolo), e su cui parte del gambo di bambù i test vengono eseguiti.

Poiché le specie di bambù più adatte per la costruzione provengono da paesi tropicali, è spesso difficile scoprire le esatte condizioni di crescita e ottenere un buon materiale di prova. Di conseguenza, diversi studi producono spesso risultati divergenti e il comportamento del materiale in certe situazioni non è ancora conosciuto con certezza.

Perché le proprietà meccaniche sono importanti?

In Europa non esiste uno standard (Eurocodice) per i pali di bambù come materiale da costruzione. La mancanza di un tale codice di costruzione di bambù rende difficile per coloro che vogliono costruire con il materiale di farlo, quindi c'è un urgente bisogno di regole e standard chiari.

I test già effettuati sul bambù per quanto riguarda la resistenza alla compressione, alla trazione e alla flessione sono promettenti e di solito mostrano risultati molto migliori rispetto ai materiali da costruzione convenzionali. Tuttavia, ci sono altri fattori che devono essere indagati prima che un codice edilizio legale possa essere emesso per i pali di bambù come materiale da costruzione costruttivo. Queste altre proprietà sono:

  • Sostenibilità
  • Sicurezza antincendio
  • Impatto ambientale
  • Facilità d'uso
  • Efficienza energetica

Specialmente nelle aree della resistenza al fuoco e della durata, sono ancora necessarie ulteriori ricerche. Tuttavia, negli ultimi anni sono stati fatti progressi significativi con l'introduzione di uno standard internazionale ISO 22157.

test di piegatura del bambù
Test di piegatura | Foto: Pablo Acevedo

L'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO)

Nel 2004, l'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO) ha elaborato una propria norma per determinare le proprietà meccaniche del bambù. Nella norma ISO 22157, non solo sono citate come proprietà importanti la deflessione, la compressione, la tensione e il taglio, ma anche il contenuto di umidità è un parametro rilevante.

In questo articolo, presentiamo alcuni risultati di test da diverse fonti e di diversi tipi di bambù. È importante notare che non tutti i test sono stati eseguiti secondo lo standard ISO 22157, ma fornisce un buon quadro generale. Per la specie di bambù Guadua angustifolia, meglio conosciuta come il bambù più forte del mondo, i test sono stati effettuati in Colombia secondo la norma ISO 22157. Potete leggere i risultati un po' più avanti.

Per il futuro, facciamo riferimento a tabelle con informazioni sui test. Queste tabelle possono essere trovate nel PDF che accompagna questo blog.


Resistenza alla compressione

Per soddisfare le normative europee, devono essere testati due tipi di resistenza alla compressione secondo la norma ISO 22157, ovvero la resistenza alla compressione parallela alla direzione delle fibre e la resistenza alla compressione perpendicolare alla direzione delle fibre. Stranamente la ISO 22157 descrive solo il metodo di prova parallelo alla direzione delle fibre, e non fornisce ancora una metodologia per la resistenza alla compressione perpendicolare alla direzione delle fibre.

A causa della forma naturale dello stelo di bambù, non un campione di uno stelo sarà testato, ma tre diversi campioni per stelo. Si preleva un campione dalla parte inferiore del tronco, dalla parte centrale e dalla parte superiore del tronco. Questo è necessario perché uno stelo di bambù non ha una sezione trasversale continua e ci sono differenze nelle proprietà strutturali tra la sezione inferiore, che ha un diametro maggiore, e la sezione superiore, che ha un diametro minore.

costruzione del tronco di bambù
La costruzione di un tronco

L'esemplare non deve contenere nodi, perché i risultati su questi esemplari non darebbero un'immagine reale. I nodi sono infatti le zone più forti (quando sono sottoposti a pressione) a causa della struttura delle fibre. Un campione è sempre preso tra due nodi, poiché questa è la zona più debole dello stelo di bambù.

Quando i pali di bambù sono usati come colonne o travi, solo le sezioni inferiore, media e superiore possono essere usate per queste applicazioni costruttive. La testa e il tubo del tronco non sono utilizzati per applicazioni costruttive a causa del piccolo diametro esterno.

Resistenza alla compressione e modulo di elasticità del bambù Guadua (G. angustifolia)

Nel 2010, il Università di Los Andes a Bogotà, Colombia Le proprietà meccaniche della specie di bambù Guadua angustifolia sono state testate secondo la norma ISO 22157. Per studiare l'influenza dell'età dello stelo di bambù sulle sue proprietà meccaniche, sono stati testati steli di bambù di due, tre, quattro e cinque anni.

I rispettivi contenuti di umidità degli steli di bambù erano 59.3%, 56.5%, 56.7% e 65.2%. È importante menzionare questi contenuti di umidità perché il contenuto di umidità è un parametro importante per le proprietà di resistenza dello stelo di bambù. Il diametro esterno medio della parte inferiore dello stelo di bambù era di 13 cm, della parte centrale di 12 cm e della parte superiore di 10 cm.

La massima resistenza alla compressione per Guadua angustifolia (allo stato verde) è stata osservata in tronchi di 3-4 anni con una resistenza media alla compressione di circa 40 N/mm² . La resistenza alla compressione del Guadua di 5 anni è diminuita di circa 16% rispetto alla resistenza alla compressione del Bambù Guadua di 3-4 anni.

test di resistenza alla compressione del bambù
Le proprietà meccaniche del bambù 6

Confronto della resistenza alla compressione di diverse specie di bambù

La seguente tabella fornisce una panoramica della resistenza alla compressione dei diversi tipi di bambù. È importante notare che non tutti i risultati sono stati ottenuti utilizzando il metodo di prova prescritto dalla norma ISO 22157. I risultati dovrebbero essere visti come valori medi, per cui la differenza di età o di altezza dello stelo di bambù non è solitamente presa in considerazione.

Conclusione

La resistenza alla compressione delle varie specie di bambù si trova in gran parte tra il 40 e 80 N/mm².. Questo è da due a quattro volte superiore alla resistenza alla compressione della maggior parte delle specie di legname commerciale. La differenza nei risultati può essere spiegata dai diversi metodi di prova e dai campioni utilizzati. Tuttavia, è chiaro che l'età e il contenuto di umidità dei pali di bambù hanno un'influenza importante sulla loro resistenza alla compressione. Le pile di bambù con un basso contenuto di umidità hanno un maggiore resistenza alla compressione rispetto ai pali di bambù con un alto contenuto di umidità.


Resistenza alla trazione

La resistenza massima alla trazione del bambù è determinata testando le fibre (strisce di bambù) e non l'intero stelo di bambù. Come per la resistenza alla compressione, la norma ISO 22157 fornisce linee guida per la resistenza alla trazione parallela alla direzione delle fibre, ma non per la resistenza alla trazione perpendicolare alla direzione delle fibre.

Per misurare la resistenza alla trazione del bambù, vengono testate tre strisce di prova per stelo di bambù, prese dalla parte inferiore, centrale e superiore dello stelo. Ogni striscia di bambù è lunga 100 mm, larga da 10 a 20 mm, e il suo spessore è uguale allo spessore dello stelo di bambù.

Ogni pezzo di prova deve contenere un nodo, perché la direzione delle fibre del nodo è opposta alla direzione delle fibre del tronco. Il nodo è quindi considerato il punto più debole quando viene caricato in tensione (il contrario è vero quando si testa la resistenza alla compressione). Il contenuto di umidità di ciascuno di questi pezzi di prova deve anche essere determinato come prescritto nella norma ISO 22157.

La seguente tabella mostra la resistenza alla trazione delle specie di bambù più comunemente usate per applicazioni strutturali.

Conclusione

La resistenza media alla trazione delle diverse specie di bambù è in gran parte intorno al 160 N/mm². Questo è da tre a quattro volte superiore alla resistenza alla trazione della maggior parte dei legni commerciali.


Sforzo di taglio

Il massimo sforzo di taglio che uno stelo di bambù può sopportare è importante per lo sviluppo dei sistemi di connessione. Anche in questo caso, la norma ISO 22157 fornisce linee guida per lo sforzo di taglio parallelo alla direzione della fibra, ma non per lo sforzo di taglio perpendicolare alla direzione della fibra.

Come nei test precedenti, vengono testati tre campioni per stelo di bambù, presi dalla parte inferiore, centrale e superiore dello stelo. La differenza con il test di pressione è che in questo test la metà dei pezzi di prova deve contenere un nodo.

Prima dell'inizio della prova, il campione viene misurato in dettaglio. L'altezza del pezzo di prova e lo spessore del gambo sono misurati nei quattro punti di taglio. Questo è importante perché lo spessore dello stelo di bambù può variare e l'esemplare può non essere completamente dritto.

Sforzo di taglio del bambù Guadua (G. angustifolia)

All'Università di Los Andes in Colombia, la tensione massima di taglio è stata determinata anche sugli stessi steli di bambù da cui è stata determinata la resistenza alla compressione, utilizzando il metodo di prova discusso secondo ISO 22157. Come per la resistenza alla compressione, la tabella mostra che la sezione centrale del fusto di bambù mostra i valori migliori ad un'età di tre o quattro anni, e ad un'età più avanzata la tensione massima di taglio diminuisce di nuovo. Il bambù Guadua ha una tensione di taglio massima di circa 8 N/mm² (con un contenuto di umidità di circa 56,6%).

test di resistenza al taglio del bambù
Le proprietà meccaniche del bambù 7

Confronto dello sforzo di taglio di diverse specie di bambù

Le sollecitazioni di taglio di diverse specie di bambù sono mostrate nella tabella sottostante. Anche in questo caso, i risultati devono essere considerati come valori medi poiché non possiamo confermare che tutti i test sono stati eseguiti secondo lo standard ISO 22157.

Conclusione

La tensione a cui si verifica il taglio, parallela alla direzione delle fibre, è circa 10 volte inferiore alla resistenza alla compressione e anche fino a 20 volte inferiore alla resistenza alla trazione della stessa specie di bambù. Tuttavia, la resistenza al taglio della maggior parte delle specie di bambù è circa il doppio della resistenza al taglio dei legni tropicali (da 3 a 6 N/mm²).


Resistenza alla flessione

La deflessione di uno stelo di bambù ha un'influenza diretta sul comportamento della struttura costruita, quindi è necessario essere in grado di prevedere la deflessione di ogni elemento di una struttura prima del suo utilizzo. Il metodo più comunemente usato per determinare la deflessione di una trave o di una colonna è il test di deflessione a quattro punti. Nella norma ISO 22157, questa prova è utilizzata per determinare la resistenza alla flessione di uno stelo di bambù.

Resistenza alla flessione del bambù Guadua (G. angustifolia)

La prova di flessione su quattro punti prescritta dalla norma ISO 22157 è stata eseguita sul Università di Los Andes in Colombia. La prova di flessione è stata condotta sugli stessi steli di bambù delle prove per determinare la resistenza alla compressione e al taglio.

Durante la prova di flessione su quattro punti, sono stati determinati il modulo di elasticità e, naturalmente, la resistenza alla flessione. I risultati di questo test sono riportati nella tabella seguente.

Il modulo di elasticità di Guadua angustifolia è più alto nella parte inferiore e media del tronco all'età di quattro o cinque anni. Questo non è il caso della parte superiore del tronco, dove il massimo modulo di elasticità viene raggiunto all'età di tre o quattro anni, proprio come nella determinazione del modulo di elasticità nella prova di compressione.

Anche la resistenza alla flessione dello stelo di bambù non è la stessa per tutte e tre le parti; la parte superiore dello stelo di bambù ha una maggiore resistenza alla flessione rispetto alla parte inferiore. La resistenza alla flessione aumenta con l'altezza del tronco. La resistenza alla flessione di Guadua angustifolia è approssimativamente 100 N/mm².

Confronto della resistenza alla flessione di diverse specie di bambù

La resistenza alla flessione di Guadua angustifolia è nello stesso ordine di grandezza della resistenza alla flessione di altre specie di bambù comunemente usate. La tabella seguente mostra un riassunto della resistenza alla flessione di alcune altre specie di bambù. Non tutti i risultati sono stati ottenuti con la prova di flessione su quattro punti prescritta dalla norma ISO 22157. Questi valori possono quindi mostrare una piccola deviazione, ma danno un'idea dell'ordine di grandezza della resistenza alla flessione delle diverse specie di bambù.

Conclusione

La resistenza alla flessione della maggior parte delle specie di bambù è compresa tra 50 e il 150 N/mm² che dire di è due volte più alto della maggior parte dei legni convenzionali. Le deviazioni nei risultati dei test nella tabella precedente sono probabilmente dovute al contenuto di umidità degli steli di bambù testati e ai diversi metodi di test. Per esempio, un tronco di bambù con un basso contenuto di umidità è più probabile che abbia una minore resistenza alla flessione rispetto a un tronco di bambù con un contenuto di umidità maggiore.

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