Mechanické vlastnosti bambusu

Aké sú mechanické vlastnosti bambusu? Je to pravdepodobne jedna z najčastejšie kladených otázok architektov, inžinierov a staviteľov, ktorí sa zaujímajú o použitie bambusu ako stavebného materiálu. Materiálové vlastnosti dreva, ocele, betónu a dokonca aj bambusových polotovarov, ako sú podlahy a bambusové panely, sú už dlho k dispozícii, ale nie pre bambusové tyče. Prečo?
"Pevnostné vlastnosti bambusu sú často dva- až trikrát lepšie ako u bežného dreva. Právne nejasnosti týkajúce sa stavebných predpisov a noriem však komplikujú používanie bambusových stĺpov ako stavebného materiálu v Európe."

Bambus je spoločný názov pre viac ako 1575 rôznych druhov rastlín patriacich do čeľade trávovitých (Gramineae). Každý z týchto druhov bambusu má iné štrukturálne a mechanické vlastnosti, rovnako ako je to v prípade bežných druhov dreva, ako je teak, dub atď. Okrem toho sa mechanické vlastnosti jedného druhu bambusu môžu tiež veľmi líšiť. Tieto rozdiely sú spôsobené vekom bambusového kmeňa, obsahom vlhkosti, podmienkami pestovania (podnebie, nadmorská výška, pôdne podmienky) a tým, na ktorej časti bambusového kmeňa sa testy vykonávajú.

Keďže najvhodnejšie druhy bambusu na konštrukčné účely pochádzajú z tropických krajín, je často ťažké zistiť presné podmienky pestovania a získať dobrý skúšobný materiál. Výsledkom je, že rôzne testy často poskytujú rozdielne výsledky, čo znamená, že správanie materiálu v určitých situáciách ešte nie je úplne isté.

Prečo sú

mechanické vlastnosti dôležité?

V Európe ešte stále neexistuje štandardizácia (Eurokód) pre bambusové stĺpy ako stavebný materiál. Absencia takéhoto stavebného kódu pre bambus sťažuje prácu tým, ktorí chcú stavať z tohto materiálu, preto je naliehavo potrebné vytvoriť jasné pravidlá a normy.

Testy, ktoré sa už na bambuse vykonali z hľadiska pevnosti v tlaku, pevnosti v ťahu a pevnosti v ohybe, sú sľubné a zvyčajne vykazujú oveľa lepšie výsledky v porovnaní s bežnými stavebnými materiálmi. Existujú však aj ďalšie faktory, ktoré je potrebné preskúmať predtým, ako sa bambusovým stĺpom ako stavebnému materiálu pridelí zákonný stavebný predpis.

Medzinárodná organizácia pre normalizáciu (ISO)

V roku 2004 Medzinárodná organizácia pre normalizáciu, skrátene ISO, vypracovala vlastnú normu na stanovenie mechanických vlastností bambusu. V norme ISO 22157 sa ako dôležité vlastnosti uvádzajú nielen priehyb, tlak, ťah a šmyk, ale dôležitým parametrom je aj obsah vlhkosti.

V tomto článku uvádzame niektoré výsledky skúšok z rôznych zdrojov a z rôznych druhov bambusu. Je dôležité poznamenať, že nie všetky skúšky boli vykonané podľa normy ISO 22157, ale poskytujú dobrý všeobecný obraz. V prípade druhu bambusu Guadua angustifolia, ktorý je známejší ako najsilnejší bambus na svete, sa testy podľa normy ISO 22157 uskutočnili v Kolumbii. Ich výsledky si môžete prečítať o niečo ďalej.

Ostatné informácie nájdete v tabuľkách s informáciami o testoch. Tieto tabuľky nájdete v súbore PDF, ktorý je priložený k tomuto blogu.

Bambus

Pevnosť v ťahu

Bambusové pásy

Maximálna pevnosť v ťahu bambusu sa určuje testovaním vlákien (bambusových pásikov), a nie celého bambusového kmeňa. Rovnako ako v prípade pevnosti v tlaku norma ISO 22157 poskytuje usmernenia pre pevnosť v ťahu rovnobežne so smerom vlákien, ale nie pre pevnosť v ťahu kolmo na smer vlákien.

Vzorky

Na meranie pevnosti bambusu v ťahu sa testujú tri skúšobné kusy z každej bambusovej stonky, a to zo spodnej, strednej a hornej časti stonky. Každý bambusový pásik je dlhý 100 mm, široký 10 - 20 mm a jeho hrúbka sa rovná hrúbke bambusovej stonky.

Križovatka

Každá vzorka musí obsahovať uzol, pretože smer vlákien uzla je opačný ako smer vlákien deformácie. Uzol sa teda považuje za najslabšie miesto pri zaťažení ťahom (pri skúške pevnosti v tlaku je to naopak). V každej z týchto vzoriek by sa mala stanoviť aj vlhkosť, ako to predpisuje norma ISO 22157.

Záver

Priemerná pevnosť v ťahu rôznych druhov bambusu sa zväčša pohybuje okolo 160 N/mm2. To je trikrát až štyrikrát viac ako pevnosť v ťahu väčšiny komerčných druhov dreva.

Bambus

Pevnosť v ohybe

Priehyb bambusového kmeňa má priamy vplyv na správanie sa postavenej konštrukcie, preto je potrebné vedieť predpovedať priehyb každého prvku z konštrukcie pred jeho použitím. Najčastejšie používanou metódou na určenie priehybu nosníka alebo stĺpa je štvorbodová skúška priehybu. Norma ISO 22157 preto túto skúšku predkladá na určenie pevnosti v ohybe bambusového kmeňa.

Bambus

Pevnosť bambusu Guadua v ohybe

Štvorbodová skúška ohybom podľa normy ISO 22157 sa vykonala na Univerzite de Los Andes v Kolumbii. Skúška ohybom sa vykonala na tých istých bambusových kmeňoch ako skúšky na stanovenie pevnosti v tlaku a šmyku.

Počas štvorbodovej skúšky ohybom sa stanovil modul pružnosti a, samozrejme, pevnosť v ohybe. Výsledky tejto skúšky sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Modul pružnosti Guadua angustifolia je najvyšší v dolnej a strednej časti kmeňa, a to pri veku kmeňa 4 - 5 rokov. Inak je to v prípade hornej časti kmeňa, kde sa najväčší modul pružnosti dosahuje vo veku 3 - 4 rokov, podobne ako pri stanovení modulu pružnosti pri skúške stlačením.

Pevnosť bambusového kmeňa v ohybe tiež nie je rovnaká pre tri časti, horná časť bambusového kmeňa má väčšiu pevnosť v ohybe ako spodná časť. Pevnosť v ohybe sa zvyšuje s výškou kmeňa. Pevnosť Guadua angustifolia v ohybe je približne 100 N/mm2.

Bambus

Napätie v šmyku

Maximálne šmykové napätie, ktoré bambusový kmeň znesie, je dôležité pre vývoj spojovacích systémov. Norma ISO 22157 opäť poskytuje usmernenia pre šmykové napätie rovnobežné so smerom vlákien, ale nie pre šmykové napätie kolmé na smer vlákien.

Rovnako ako pri predchádzajúcich testoch sa na každom bambusovom kmeni testujú tri skúšobné vzorky zo spodnej, strednej a hornej časti kmeňa. Rozdiel oproti vzorkám pri skúške tlakom je v tom, že pri tejto skúške musí polovica vzoriek obsahovať uzol.

Pred začiatkom skúšky sa vzorka podrobne zmeria. V štyroch zónach, kde dôjde k šmyku, sa zmeria výška vzorky a hrúbka kmeňa. Je to dôležité, pretože bambusový kmeň nemusí mať všade rovnakú hrúbku a vzorka nemusí byť úplne rovná.