9 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΞΥΛΟ (Δομή & Ιδιότητες - Δομική Ξυλεία)

Transcript

1 ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 9 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΞΥΛΟ (Δομή & Ιδιότητες - Δομική Ξυλεία) Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Διαμόρφωση ελληνικών παραδοσιακών ξύλινων ζευκτών. Σύγχρονα ξύλινα σπίτια (από Kontio Loghouses). 3

4 Ξύλινα μέλη κατασκευών (απλά και σύνθετα). 4

5 1. Γενικά-Εισαγωγή 2. Το δέντρο 2.1 Ταξινόμηση δέντρων 2.2 Υλοτομία-Κατεργασία-Αποθήκευση 3. Δομή Σύσταση-Ελαττώματα 3.1 Μακροσκοπική δομή 3.2 Μικροσκοπική δομή 3.3 Συσταση κυτταρικών τοιχωμάτων 3.4 Ελαττώματα 4. Βασικές ιδιότητες ξύλου 4.1 Φυσικές Ιδιότητες 4.2 Μηχανικές Ιδιότητες 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τις Μηχανικές Ιδιότητες 5. Δομική ξυλεία 5.1 Προηγμένες Τεχνολογίες Ξύλου 5.2 Μορφές Δομικής Ξυλείας 5.3 Διαβάθμιση Δομικής Ξυλείας 5.4 Μηχανικές Ιδιότητες Δομικής Ξυλείας κατα EN 5

6 1. Γενικά-Εισαγωγή Τρία κύρια χαρακτηριστικά: α) Ελαφρύ υλικό Ξύλο: g=1~13kn/m 3 Xάλυβας: g=79kn/m 3 Σκυρόδεμα: g=25 kn/m 3 β) Σημαντικές αντοχές π.χ Θλιπτική αντοχή Ξύλο: fc=20mpa Xάλυβας: fc=220mpa Σκυρόδεμα: fc=20mpa γ) Ορθότροπο υλικό Διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες στις τρεις κάθετες διευθύνσεις δηλ. Αντοχές και Μέτρο Ελαστικότητας 6

7 2.1 Ταξινόμηση δέντρων Κωνοφόρα: «Μαλακή ξυλεία» (softwood) -Πεύκη -Ελάτη -Κυπαρίσσι -Λάρτζινο Πλατύφυλλα: «Σκληρή ξυλεία» (hardwood) -Δρυς -Οξιά -Καστανιά -Φτελιά -Λεύκα (Κατσαραγάκης, 2000) Σημείωση: Οι όροι «μαλακή» και «σκληρή» δεν συνεπάγονται αντίστοιχη σκληρότητα 7

8 2.2 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 1/8 Υλοτομία -Γίνεται κατά του χειμερινούς μήνες : Μικρή ποσότητα χυμών στα δέντρα Αποφυγή αλλοιώσεων λόγω καιρικών συνθηκών -Κοπή των δέντρων σε μεγάλα μήκη -Τοποθέτηση σε μεγάλες στίβες (α) Στρογγυλή ξυλεία Αφαίρεση μόνο του φλοιού και επιφανειακή εξομάλυνση (β) Πελεκητή ξυλεία Αφαίρεση φλοιού και πρόχειρος ορθογωνισμός με τσεκούρι (γ) Πριστή ξυλεία Αφαίρεση φλοιού (η κοπή γίνεται αργότερα στο εργαστήριο) 8

9 2.3 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 2/8 Κατεργασία (α) Πρίση (μόνο για πριστή ξυλεία) Σκουρέτα 12-13mm Μισόταβλες 20mm Τάβλες ή σανίδες 25mm Μαδέρια 70mm Καδρόνια και δοκοί (Τριανταφύλλου, 2011) 9

10 2.3 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 3/8 Κατεργασία (συνέχεια) (β) Έκπλυση Σκοπός η απομάκρυνση των χυμών του δέντρου - Βύθιση σε μεγάλες δεξαμενές ή - Συνεχής διαβροχή με νερό - Πολλές φορές το στάδιο της έκπλυσης αποφεύγεται 10

11 2.3 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 4/8 Κατεργασία (συνέχεια) (γ) Ξήρανση - Αποφυγή ανάπτυξης μικροοργανισμών - Ελάττωση βάρους - Άυξηση αντοχής - Ευκολότερη εφαρμογή βαφών και εμποτισμού Κατηγορίες ξηράνσεως: - Φυσική - Τεχνητή 11

12 2.3 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 5/8 Κατεργασία (συνέχεια) (γ) Ξήρανση Φυσική ξήρανση -Ντάνιασμα -Αυτοστίβαξη -Όρθια στίβαξη Μειονεκτήματα: -Μεγάλη διάρκεια -Αδυναμία επίτευξης επιθυμητής υγρασίας -Κίνδυνος προσβολής από μύκητες και έντομα (Τριανταφύλλου, 2011) 12

13 2.3 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 6/8 Κατεργασία (συνέχεια) (γ) Ξήρανση Τεχνητή ξήρανση Ξηραντήρια -Θαλάμου -Σήραγγας (Τριανταφύλλου, 2011) 13

14 2.3 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 7/8 Κατεργασία (συνέχεια) (γ) Ξήρανση Σφάλματα ξήρανσης -ραγάδες -στρέβλωση -κυψελίδωση -προσβολές από μύκητες 14

15 2.3 Υλοτομία- Κατεργασία-Αποθήκευση 8/8 Αποθήκευση -προφυλαγμένα από εξωτερικές επιδράσεις -καλός αερισμός -αποφυγή επαφής με έδαφος -τοποθέτηση ανάλογα με τύπο ξύλου π.χ μαλακά ξύλα όρθια με κλίση σκληρά ξύλα και προιόντα δομικής ξυλεία οριζόντια σε στρώσεις 15

16 3.1 Μακροσκοπική δομή Από έξω προς τα μέσα Φλοιός (εξωτερικός-εσωτερικός) Κάμβιο και αυξητικοί δακτύλιοι Σομφό ξύλο Εγκάρδιο ξύλο ή καρδιά Εντεριώνη (Τριανταφύλλου, 2011) Ορθότροπο υλικό Διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες στις τρεις κύριες διευθύνσεις (Τριανταφύλλου, 2011) 16

17 3.2 Μικροσκοπική δομή -Τραχεΐδες (κωνοφόρα) Κυψελοειδούς μορφής // αξονική διεύθυνση -Μέλη αγγείων (πλατύφυλλα) -Ίνες (πλατύφυλλα) -Παρεγχυματικά κύτταρα -Μεσοκυττάριοι ή ρητινοφόροι αγωγοί (κωνοφόρα) και σε ακτινική διεύθυνση Διάταξη στην αξονική διεύθυνση (Τριανταφύλλου, 2011) 17

18 3.3 Σύσταση κυτταρικών τοιχωμάτων -Ίνες κυτταρίνης (50%) Κυτταρίνη: Κρυσταλλικής μορφής και αποτελείται από μακρομόρια C 6 H 10 O 5 -Λιγνίνη (25%) -Ημικυτταρίνη (15%) -Νερό (10%) -Εκχυλίσματα (π.χ ρητίνες) Διάταξη στην αξονική διεύθυνση => Καλή μηχανική συμπεριφορά στην αξονική διεύθυνση (Τριανταφύλλου, 2011) 18

19 3.4 Ελαττώματα -Απόσταση και κλίση των νερών του ξύλου -Ανώμαλη ανάπτυξη -Ρόζοι -Θύλακες ρητίνης -Σκισίματα -Θύλακες ρητίνης -Σκισίματα, Ρηγματώσεις -Άκρες -Κυάνωση -Σήψη -Στοές εντόμων -Παραμορφώσεις (Porteous and Kermani, 2007) 19

20 4.1 Φυσικές ιδιότητες 1/4 Υγρασία Υ Σημείο κορεσμού ίνας ή σημείο ινοκόρου Ποσοστό υγρασίας που αντιστοιχεί στον κορεσμό των τοιχωμάτων (περίπου 28%) Υγρασία ισορροπίας Η υγρασία του ξύλου σε δεδομένες συνθήκες θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας περιβάλλοντος 20

21 4.1 Φυσικές ιδιότητες 2/4 Υγρασία Υ (συνέχεια) ΥΓΡΑΣΙΑ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΞΥΛΟΥ (Τριανταφύλλου, 2011) Οι Συστολοδιαστολές πρακαλούν την ανάπτυξη σημαντικών Τάσεων (Τριανταφύλλου, 2011) 21

22 4.1 Φυσικές ιδιότητες 3/4 Χαρακτηριστική πυκνότητα ρ k Ορίζεται ως η πυκνότητα του ξύλου σε θερμοκρασία 20 ο C και υγρασία περιβάλλοντος 65% με πιθανότητα υπέρβασης 5% ρ = (ρ -1,65s)k k k mean s v ρ mean =μέση τιμή πυκνότητας s=τυπική απόκλιση πυκνότητας k s =συντελεστής ανάλογα με τον αριθμό των δοκιμίων k v =1 ή 1.12 (για οπτική και μηχανική διαβάθμιση αντίστοιχα) 22

23 4.1 Φυσικές ιδιότητες 4/4 Συντελεστής θερμικής διαστολής Στην αξονική διεύθυνση έχει τιμές 3-4.5x10-6 / o C (Χάλυβας/Σκυρόδεμα / o C ) Στις άλλες δύο διευθύνσεις ο συντελεστής είναι7-10 φορές μεγαλύτερος Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας Εξαρτάται από τη διεύθυνση των ινών, την πυκνότητα και την υγρασία Κυμαίνεται μεταξύ W/mK στην αξονική διεύθυνση (σκυρόδεμα W/mK) W/mK στις άλλες δύο διευθύνσεις 23

24 4.2 Μηχανικές ιδιότητες 1/4 Εφελκυστική αντοχή, θλιπτική αντοχή και Μέτρο Ελαστικότητας κάθετα και παράλληλα στις ίνες -Για fc και E (Gibson and Ashby,1988) E αξ >>Ε εφ =Ε ακτ f c,αξ >>f c,εφ =f c,ακτ f t,αξ >>f t,εφ =f t,ακτ Μηχανικές ιδιότητες κάθετα και παράλληλα στις ίνες 24

25 4.2 Μηχανικές ιδιότητες 2/4 Εφελκυστική αντοχή, θλιπτική αντοχή και Μέτρο Ελαστικότητας κάθετα και παράλληλα στις ίνες (Κατσαραγάκης, 2000) Εφελκυσμός : Ψαθυρή αστοχία Θλίψη: «Πλάστιμη» αστοχία 25

26 4.2 Μηχανικές ιδιότητες 3/4 Εφελκυστική αντοχή, Θλιπτική αντοχή και Μέτρο ελαστικότητας υπό γωνία (Hankinson, 1921) n=1.5-2 για εφελκυσμό n=2-2.5 για θλίψη n=2 για Μέτρο Ελαστικότητας Αντοχή σε κάμψη - «Πλαστικοποίηση» θλιβόμενης ζώνης - Μέτρο θραύσης ο εφελκυσμός - Τάσεις από κάμψη>τάσεις σε καθαρό εφελκυσμό Τεχνικά Υλικά. Ακ. Έτος «Δομή και ιδιότητες ξύλου-δομική ξυλεία» 26

27 4.2 Μηχανικές ιδιότητες 4/4 Διατμητική αντοχή - αξονική διάτμηση - εγκάρσια διάτμηση - διάτμηση κυλινδρισμού (Gibson and Ashby,1988) (Τριανταφύλλου, 2011) 27

28 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες 1/7 Υγρασία Θερμότητα Ηλιακή Ακτινοβολία Χημικοί Παράγοντες Βιολογικοί Παράγοντες Διάρκεια και Είδος Φόρτισης 28

29 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες 2/7 Υγρασία Μείωση της αντοχής σε εφελκυσμό και θλίψη, μείωση του Μέτρου Ελαστικότητας και του Μέτρου Διάτμησης και αύξηση των ερπυστικών παραμορφώσεων (Τριανταφύλλου, 2011) Τρεις κλάσεις λειτουργίας κατά EC5 Κλάση 1 Τ=20±2 ο C, RH>65% Για λίγες εβδομάδες το χρόνο Εσωτερικοί θερμαινόμενοι χώροι Κλάση 2 Τ=20±2 ο C, RH>80% Για λίγες εβδομάδες το χρόνο Εσωτερικοί μη θερμαινόμενοι χώροι ή εξωτερικοί θερμαινόμενοι Κλάση 3 Τ=20±2 ο C, RH>80% Εξωτερικοί χώροι κτιρίων 29

30 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες 3/7 Θερμότητα Αύξηση θερμοκρασίας Μείωση αντοχής -Αλλοίωση μηχανικών ιδιοτήτων αναστρέψιμη για Τ<95 ο C Πυρκαγιά Καύση ξύλου στους 300 ο C -Απανθράκωση με ρυθμό 0,6-0,7mm/λεπτό (Τριανταφύλλου, 2011) -Χαμηλή θερμοαγωγιμότητα ξύλου -Μικρός συντελεστής θερμικής διαστολής 30

31 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες 4/7 Ηλιακή ακτινοβολία - Χρωματικές και χημικές αλλοιώσεις Εξασθένιση χρώματος Μείωση αντοχής Χημικοί Παράγοντες Λήψη μέτρων προστασίας -Ικανοποιητική αντοχή (π.χ σε διαλύματα οξέων) -Κωνοφόρα ανθεκτικότερα από πλατύφυλλα Βιολογικοί παράγοντες -Μύκητες -Έντομα 31

32 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες 5/7 Διάρκεια φόρτισης Η διάρκεια φόρτισης επηρεάζει την παραμόρφωση και την αντοχή του Κλάσεις διάρκειας φορτίσεως κατά EC5 (ΕC5, Πιν. 2.1) (ΕC5, Πιν. 2.2) Τεχνικά Υλικά. Ακ. Έτος «Δομή και ιδιότητες ξύλου-δομική ξυλεία» 32

33 4.3 Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες 6/7 Διάρκεια φόρτισης (συνέχεια) Παραμόρφωση Αντοχή (Κατσαραγάκης, 2000) (Τριανταφύλλου, 2011) Ερπυσμός: Αύξηση της παραμόρφωσης με τον χρόνο υπό σταθερή τάση Συντελεστής k def κατά EC5 Συντελεστής k mod κατά EC5 33

34 4.1 Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες 7/7 Είδος φόρτισης -Επαναλαμβανόμενη Φόρτιση (Κόπωση) (Τριανταφύλλου, 2011) -Ανακυκλιζόμενη Φόρτιση (Τριανταφύλλου, 2011) -Κρούση 34

35 5.1 Προηγμένες Τεχνολογίες Ξύλου Άτμιση Διεργασία κατά την οποία το ξύλο υποβάλλεται σε επίδραση ατμού με σκοπό την απομάκρυνση των χυμών, την πρόληψη σφαλμάτων, τον θάνατο εντόμων και μυκητών, τον χρωματισμό και την προετοιμασία για ορισμένη κατεργασία. Υψίσυχνα ρεύματα Ειδικές συσκευές με ρεύματα υψηλής συχνότητας με σκοπό την ξήρανση ή την θέρμανση κατά την πορεία συγκόλλησης και διαμόρφωσης. Συγκόλληση Χρήση κόλλας για την διαμόρφωση σύνθετων διατομών. Πλαστικοποίηση Χρήση χημικών ουσιών με σκοπό την αύξηση της πλαστιμότητας (διαμόρφωση καμπύλων τμήματων). Εμποτισμός με πολυμερή Εμποτισμός με πολυμερή με σκοπό την αύξηση της Αντοχής και του Μέτρου Ελαστικότητας. 35

36 5.2 Κατηγορίες Δομικής Ξυλείας 1/2 Φυσική ξυλεία Συγκολλητή ξυλεία (glulam) Αντικολλητή ξυλεία (κόντρα πλακέ, plywood) Συγκολλητά φύλλα Φύλλα συγκολλημένων στρώσεων (LVL) Ξύλλο παραλλήλων στρώσεων (Parallam-PSL) Πηχόπλακες Μοριόπλακες Μοριοσανίδες (particleboards) Πλάκες προσανατολισμένων ινών (OSB) Ινοσανίδες (Fibreboards, χάρντμπορντ, MDF) 36

37 5.2 Κατηγορίες Δομικής Ξυλείας 2/2 LVL PSL OSB (Porteous and Kermani, 2007) Plywood Μοριόπλακες (Ράμυ Χασάν, 2010)) 37

38 5.3 Διαβάθμιση Δομικής Ξυλείας 1/3 Σκοπός της διαβάθμισης είναι η κατάταξη του ξύλου σε συγκεκριμένη κατηγορία, βάσει προτύπου για την συγκεκριμένη ξυλεία (EN 338) 38

39 5.3 Διαβάθμιση Δομικής Ξυλείας 2/3 Οπτική -Βασίζεται στην «ποιοτική» αποτίμηση των ελαττωμάτων του ξύλου ΕΝ 518 «Structural timber. Grading. Requirements for visual strength grading standards» Μηχανική -Βασίζεται κυρίως στον πειραματικό προσδιορισμό του Μέτρου Ελαστικότητας ΕΝ 384 «Structural timber Determination of characteristic values of mechanical properties and density» ΕΝ 408 «Timber structures Structural timber and glued laminated timber Determination of some physical and mechanical properties» (EN 408) 39

40 5.3 Διαβάθμιση Δομικής Ξυλείας 3/3 (Porteous and Kermani, 2007) (TRADA, 2007) 40

41 5.3 Μηχανικές Ιδιότητες Δομικής Ξυλείας 1/4 Φυσική ξυλεία (EN 338) (Porteous and Kermani, 2007) 41

42 5.3 Μηχανικές Ιδιότητες Δομικής Ξυλείας 2/4 Συγκολλητή ξυλεία (EN 1194) (BS EN 1194) 42

43 5.3 Μηχανικές Ιδιότητες Δομικής Ξυλείας 3/4 OSB (EN 300) (Porteous and Kermani, 2007) 43

44 5.3 Μηχανικές Ιδιότητες Δομικής Ξυλείας 4/4 Plywood (EN 636) (Porteous and Kermani, 2007) 44

45 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.