Praca dyplomowa - kontrukcje drewniane.doc

Spis treści

1.              Drewno w przeszłości

Najwcześniejsze formy zamieszkania ludów pierwotnych były ściśle związane z naturą. Człowiek wyszukiwał jaskinie, w których mógł się schronić przed nieprzyjaciółmi lub surowością klimatu. Jednak jaskinie nie były na tyle liczne, aby zaspokoić narastające potrzeby ludzi. Ponadto nie zawsze znajdowały się w pobliżu miejsc zaopatrzenia w wodę i żywność, tj. głównie terenów łowieckich.  W związku z tym ludzie zostali zmuszeni do budowy mieszkań.

Pierwszymi materiałami używanymi przez człowieka były połamane gałęzie drzew, być może początkowo opierane o zbocza skalne, w rodzaju jednostronnego szałasu. W okresie późniejszym ustawiano je naprzeciw siebie i wiązano szczycie wikliną, tworząc podobne do namiotów konstrukcje przykryte darniną, liśćmi lub skórą. Stopniowo drewno jako surowiec powszechnie dostępny i łatwo obrabialny stawało się oprócz kamienia podstawowym materiałem budowlanym.

Rozwój kontaktów handlowych i wojny spowodowały konieczność tworzenia sieci komunikacyjnych, z czym związana była budowa mostów, m.in. drewnianych. Znany jest np. most belkowy Pons Sublicius przez Tyber w Rzymie, zbudowany w 625 r. Za panowania cezara Trojana w 103 r. naszej ery Apollodor z Damaszku wybudował łukowy most przez Dunaj w pobliżu Żelaznych Wrót. Rozpiętość przęseł mostu była równa 35 m, szerokość podpór 18 m, długość całego mostu 1070 m. Spośród mostów drewnianych należy wspomnieć most przez Dniepr w Kijowie w 1115 r. i przez Don z 1380 r. W roku 1125 zbudowano most w Bazylei, który zdemontowano dopiero w 1908 r. Od 1333 r. stoi znany most Kapellbrucke przez rzekę Reussu w Szwajcarii, interesujący z uwagi na przekrycie i załamany w planie kształt.

Nastanie nowej ery w budownictwie XVI w. przyśpieszyły osiągnięcia w mechanice, matematyce i innych dziedzinach wiedzy. Włoscy wybitni inżynierowie tego okresu zajmowali się przede wszystkim konstrukcjami dachowymi i mostowymi większych rozpiętości. Na uwagę zasługuje konstrukcja dachowa dla Galerii Uffizi we Florencji, której projektantem był Vasari.

Z tego okresu należy przede wszystkim wymienić włoskiego architekta Andrea Palladio; zaprojektował on nowe konstrukcje mostowe i dachowe, wzorując się częściowo na pracach rzymskich budowniczych, którzy byli autorami licznych postępowych rozwiązań przekryć o rozpiętości do 20 m. Jego pierwszy most drewniany zbudowano w pobliżu Bassano przez rzekę Brenta. Była to konstrukcja rozporowo – zastrzałowa. Również według jego projektu zbudowano most przez rzekę Cismone we Włoszech.

W tym samym czasie we Francji Filip de l’Orme (1510 – 1590) prowadził doświadczenia nad konstrukcjami z pojedynczych desek. Przykładem zastosowania w praktyce tych prac jest absyda kaplicy Annonciades w Antwerpii.

Drewniane konstrukcje inżynierskie pojawiły się dopiero pod koniec XIX wieku i ich powstaniu towarzyszyły nowe typy łączników, jak śruby, sworznie, pierścienie. Konstrukcje te zaczęto stosować w licznych dziedzinach budownictwa. Spośród konstrukcji dachowych o dużych rozpiętościach należy wymienić przekrycie ujeżdżalni koni w St. Petersburgu o rozpiętości 34,2 m, zbudowane w latach 1798 – 1801. Konstrukcję tę dopiero w 1955 r. zastąpiono stalową, tak więc w eksploatacji znajdowała się przez 154 lata. Znana jest również konstrukcja dachowa byłej ujeżdżalni koni w Moskwie (obecnie hali wystawowej). Obiekt ma 151 m długości i 44,8 m rozpiętości. Przekrycie to, w owym czasie największe w Europie, wykonano w 1817 r.

Budownictwo drewniane w Polsce ma bogate tradycje. Do najstarszych zachowanych konstrukcji drewnianych należy zaliczyć gotycką więźbę dachową nad prezbiterium kościoła św. Jakuba w Toruniu, liczącą ponad 600 lat. Z budowli całkowicie drewnianych z XV w. zachowały się w całości lub znacznej części kościoły w Haczowie, Dębnie i Mikulczycach. Najwięcej zabytków budownictwa drewnianego w naturze, rysunkach i fotografiach zachowało się z XVIII i pierwszej połowy XIX w. Pod koniec XVIII i na początku XIX w. pojawiły się nowe formy konstrukcji drewnianych, a mianowicie l’Orma. Przy zastosowaniu 44 łuków tego typu przekryto budynek ujeżdżalni koni w Berlinie (rozpiętość ok. 20 m). We Francji budowniczy Emmy zaprojektował w 1819 r. inny rodzaj łuku, a w 1825 r. po raz pierwszy zastosował go przy przekryciu magazynu.

Z konstrukcji łukowych należy wymienić most przez Narew z pięcioma łukami, każdy rozpiętości 24 m. Prostotą i jasnością konstrukcyjną charakteryzował się łukowy most drogowy przez Wieprz, o rozpiętości 77 m, zbudowany w 1845 r.

Na uwagę zasługują mosty drewniane zbudowane w XIX w. w Stanach Zjednoczonych. Były to konstrukcje kratowo – belkowe systemu Longa i Towna, kratowe systemu Howe’a, łukowo – kratowe systemu Burra i Thayersa jako odniana systemu Burra. Około 1840 r. zbudowano wspaniały, jak na owe czasy, most Cascade Bridge. Budowano również mosty systemu Langera, stanowiące połączenie belki kratowej równoległej z łukiem deskowym.

W okresie międzywojennym do wykonywania konstrukcji naziemnych stosowano najczęściej kratownice lub belki pełnościenne ze środnikiem z desek krzyżujących się. Elementy kratownic łączono na wręby lub łączniki mechaniczne, jak śruby, sworznie, pierścienie gładkie i zębate oraz gwoździe. Belki o środniku z desek krzyżujących się łączonych na gwoździe stosowano w obiektach magazynowych, produkcyjnych, wystawowych, sportowych i mostowych. Jako przykład konstrukcji trójprzegubowej z segmentów łukowych ze ścianką z desek krzyżujących się może służyć most o rozpiętości 48 m.

Stosowano również konstrukcje mieszane, składające się z elementów kratowych i pełnościennych.

Spośród innych konstrukcji inżynierskich należy wspomnieć o łukach o przekroju dwuteowym z pasami z desek i ściankami z wyrzynanych bali. W łukach tych do przeniesienia sił rozwarstwiających używano klocków, pierścieni, odcinków dwuteowników itp. I ściągano cały przekrój śrubami. Stosowano również tzw. łuki Stephana, tj. łuki ze ścianką kratową z prętów krzyżujących się, poza obszarem przypodporowym, który stanowiła ścianka pełna. Łuki te przy rozpiętościach do 20 m wykonywano jako dwuprzegubowe, a przy większych – jako trójprzegubowe. W Polsce budowano również tzw. Sklepienia systemu Brody, składające się z górnej i dolnej warstwy desek rozdzielonych tzw. podłużnicami.

W Polsce po drugiej wojnie światowej rygorystyczne przepisy przeciwpożarowe i zarządzenia o oszczędności drewna spowodowały niemal całkowite zahamowanie tej formy budownictwa. Przyczynił się do tego również intensywny eksport tarcicy i związany z tym jej deficyt oraz wysoka cena na rynku wewnętrznym. Okres stagnacji w stosowaniu konstrukcji z drewna spowodował wielką szkodę; inne kraje prowadziły ciągłe prace badawcze, projektowe i wdrożeniowe. Drewno w tym okresie w Polsce stanowiło materiał uzupełniający i służyło głównie do wykonywania okien, drzwi, podłóg, więźb dachowych, deskowań i ogrodzeń.

Tymczasem po drugiej wojnie światowej nastąpiło na świecie tak znaczne ożywienie budownictwa z drewna. Nastąpił gwałtowny rozwój inżynierskich konstrukcji drewnianych i uprzemysłowionego budownictwa mieszkaniowego z materiałów na bazie drewna.

Opracowanie za granicą nowych rodzajów klejów, odpornych na czynniki atmosferyczne i inne, stworzyło nowe możliwości konstrukcyjno – technologiczne dla uruchomienia fabrycznej produkcji elementów z drewna klejonego warstwowo, stosowanych w inżynierskich konstrukcjach o zróżnicowanym przeznaczeniu, jak obiekty sportowe, handlowe i wystawowe, wieże, maszty itp.

Zakres stosowania drewna w budownictwie zagranicznym jest zróżnicowany i zależy od rodzaju budownictwa i kraju. Dla przykładu: w USA, Kanadzie i krajach skandynawskich ok. 70% budownictwa mieszkaniowego stanowią budynki drewniane, natomiast we Francji i Niemczech budownictwo z drewna stanowi zaledwie parę procent zabudowy jednorodzinnej.

Za granicą ceny drewna są stosunkowo wysokie, lecz w analizach ekonomicznych uwzględnia się całość kosztów związanych z realizacją obiektów i te analizy wypadają na ogół korzystnie dla konstrukcji drewnianych, szczególnie inżynierskich. Wpływa na to przede wszystkim lekkość, powodująca w stosunku do konstrukcji z innych materiałów mniejsze koszty transportu i montażu, niewielkie przekroje konstrukcji podtrzymujących, nieznaczne nakłady na roboty ziemne i krótki okres realizacji obiektów.

Szeroki zakres stosowania drewna w krajach rozwiniętych gospodarczo wiąże się z niewielkimi nakładami energetycznymi potrzebnymi do uzyskania tego materiału (wycięcia i obróbki surowca) i bardzo korzystnym mikroklimatem wnętrz. Przykładowo jedynie w budynkach drewnianych poziom promieniowania radioaktywnego jest niższy niż tzw. tła, czyli środowiska zewnętrznego.

Dynamiczny rozwój budownictwa z drewna ze granicą w okresie po drugiej wojnie światowej spowodował, że i w Polsce dostrzeżono rolę konstrukcji drewnianych w budownictwie. Powołano Przedsiębiorstwo Wielkowymiarowych Konstrukcji Drzewnych w Cierpicach k. Torunia, wyposażone w niemieckie linie technologiczne, oraz fabrykę budynków mieszkalnych na licencji szwedzkiej w Ciechanowie.

2.              Złącza konstrukcji drewnianych

2.1. Charakterystyka złączy

Wymiary handlowe drewna są z reguły ograniczone, dlatego elementy jednolite można stosować jedynie na konstrukcje niewielkich rozpiętości, przenoszące stosunkowo nieznaczne obciążenia. W innych przypadkach stosuje się pręty złożone lub konstrukcje, np. kratowe, w których poszczególne elementy są połączone różnego rodzaju łącznikami.

Złącza w konstrukcjach drewnianych można podzielić na podatne i niepodatne. Do pierwszej grupy należą złącza z łącznikami mechanicznymi (stalowymi), jak śruby, gwoździe, płytki zębate itp., a do drugiej – złącza klejone. Klejenie pozwala na wykonywanie z desek (o ograniczonych wymiarach) konstrukcji nośnych o dużych rozpiętościach i o zróżnicowanych kształtach. Umożliwia też użycie drewna mniejszych rozmiarów i gorszej jakości przez umieszczenie go w mniej naprężonych strefach konstrukcji.

2.2. Połączenia tradycyjne

Złącza ciesielskie służą do łączenia elementów drewnianych w budowlach naziemnych i mostowych już od dawniejszych czasów. Mają one niewielką nośność, a ich wykonanie jest pracochłonne. Mimo to niektóre rodzaje złączy ciesielskich są nadal stosowane we współczesnych konstrukcjach drewnianych, zwłaszcza w wiązarach dachowych.

Złącza elementów, w których działają siły znacznie mniejsze od ich nośności, należą do konstrukcyjnych. Zalicza się do nich złącza na czopy i gniazda, nakładki proste i zamki ukośne (rys. 2.1. – 2.3.).

Rysunek 2.1. Połączenia słupów z podwaliną na czopy i gniazda

Rysunek 2.2. Połączenia zastrzałów z podwaliną na czopy i gniazda

Rysunek 2.3.              Połączenia rygli pośrednich ze słupami i zastrzałami na czopy i gniazda: a), b) rygla ze słupem, c) rygla z zastrzałami

Połączenia na czopy i gniazda w nowoczesnych konstrukcjach drewnianych wykonuje się stosunkowo rzadko. Częściej występują wręby bez czopów (przy łączeniu elementów pod kątem prostym lub ukośnie). Wręby należą do najbardziej rozpowszechnionych połączeń, zarówno w budownictwie tradycyjnym przy robotach ciesielskich, jak i w tzw. konstrukcjach inżynierskich; dzielą się na:

·         wręby czołowe, przenoszące obciążenie całą szerokością elementu ukośnego,

·         wręby policzkowe, przenoszące obciążenie za pomocą nakładek i przekładek.

Rysunek 2.4. Połączenia słupów z oczepami na czopy i gniazda: a) słupa pośredniego z oczepem, b) słupa pośredniego z oczepem łączonym na styk, c) słupa narożnego, 1 – klamra

Rysunek 2.5. Połączenia belek w jednej płaszczyźnie: a) na nakładkę prostą, b) w jaskółczy ogon

Rysunek 2.6. Połączenia rygli na długości na nakładkę: a) prostą, b) ukośną

W połączeniach na wręby czołowe górny ściskany element opiera się częścią swej płaszczyzny czołowej o gniazdo w dolnym elemencie rozciąganym. Stosuje się wręby czołowe pojedyncze i podwójne. Wręby pojedyncze wykonuje się płaszczyzną docisku po dwusiecznej kąta rozwartego między łączonymi elementami lub pod kątem prostym do elementu ukośnego. Pierwsze rozwiązanie daje korzystne warunki pracy drewna na docisk, drugie – jest prostsze pod względem statycznym i łatwiejsze w wykonaniu.

2.3. Połączenia na klej

Do łączenia elementów z drewna i materiałów drewnopochodnych stosuje się złącza klejone klinowe, ukośne, nakładkowe i czołowe (rys. 2.7.).

Rysunek 2.7. Rodzaje złączy klejonych: a) złącze klinowe, b) ukośne, c) z nakładkami, d) czołowe

2.4. Złącza na płytki kolczaste

Najszersze zastosowanie we współczesnych konstrukcjach drewnianych za granicą mają płytki kolczaste, wykonywane z cienkiej, ocynkowanej blachy stalowej, z jednostronnie wytłoczonymi kolcami. Produkuje się trzy typy tych płytek: GN14, GN18, GN20 (rys. 2.8.). Płytki poszczególnych typów mają zróżnicowane ukształtowanie kolców i różne wymiary. Kolce są nachylone do powierzchni płytki pod kątem bliskim 90. Długość kolców płytek wynosi 20 – 22 mm przy grubości blachy 2 mm, kolców płytek GN18 – 14 mm przy grubości blachy 1,25 mm, a kolców płytek GN14 – 10 mm przy grubości blachy 1 mm. Liczba kolców w płytce dochodzi do 880.

Rysunek 2.8. Płytka kolczasta Gang-Nail

Dźwigary wykonuje się z elementów tej samej grubości, łączonych na styk. Drewno może być strugane, ale nie jest to niezbędne. Wymiary płytek należy tak dobierać, aby siły w złączach nie przekraczały dopuszczalnych obciążeń dla poszczególnych kolców.

Płytki kolczaste mają nośność do 350 kN. Grubość blachy wynosi 1,0 – 2,0 mm, a jej granica plastyczności 240 MPa. Jest to blacha miękka o małej zawartości węgla. Stosowanie blach twardych uniemożliwiałoby wygięcie kolców pod kątem prostym.

Płytki kolczaste służą przede wszystkim do łączenia prętów w węzłach kratownic, w których umieszczone obustronnie są jednocześnie blachami węzłowymi i łącznikami, dlatego grubość łączonych elementów musi być jednakowa. Przy użyciu płytek kolczastych złącza nie wymagają dodatkowych łączników w postaci śrub ściągających lub innych.

Płytki kolczaste wciska się w drewno przy użyciu pras podwieszonych, przejezdnych lub stałych. Rodzaj pras zależy ...