A FATEST SZERKEZETI FELÉPÍTÉSE

Átírás

1 A FATEST SZERKEZETI FELÉPÍTÉSE Vegyünk fel ebben a testben (vagy ami ugyanaz, a törzsben) tetszőlegesen egy P pontot. E pontnak az ún. természetes koordinátarendszerét a következő módon kell felvenni. Az első tengely a P ponton átmenő, a törzs hossztengelyével párhuzamos irány, a longitudinális irány, jele L. A második tengelyt.sugáriránynak nevezzük, jele R. A sugárirány merőleges a longitudinális irányra és metszi a törzs hossztengelyét. A harmadik tengely a tangenciális vagy érintő tengely, jele T, az L,R irányokra merőleges, azokkal (L, R, T sorrendben) jobbraforduló rendszert alkot. A tengelyek által alkotott síkoknak is van nevük, az L,R-sík a sugármetszet. az L,T-sík a tangenciális vagy érintő metszet, az R,Tsík a bütümetszet. Ha a P pont éppen a törzs hosszanti szimmetriatengelyére esik, az R és T irány nem értelmezhető. A szimmetriatengely pontjai szinguláris pontok. A fentiek miatt a P pont természetes koordinátarendszerét a faanyag anatómiai főtengelyrendszerének, a tengelyeket anatómiai főtengelyeknek, az általuk alkotott síkokat pedig anatómiai fősíkoknak nevezzük.

2 A faanyag anizotróp tulajdonságainak leírásánál néha még egyszerűbb modellt is alkalmazunk. Ezt az teszi lehetővé, hogy a longitudinális irányhoz tartozó tulajdonságok általában lényegesen eltérnek a sugár- és érintő irányhoz tartozóétól, ill. a rostirányra merőleges síkhoz tartozó irányokban a tulajdonságok nem különböznek egymástól jelentősen, bizonyos fafajoknál meg is egyezhetnek. Lehetőség nyílik tehát arra, hogy az R,T-síkban a faanyagot izotrópnak tekintsük. Az "elemi cella" olyan körhenger, melynek alkotói a faanyag rostirányával párhuzamosak. Ezt az anyagmodellt transzverzálisan izotrópnak, röviden transzotrópnak nevezik és a fő előnye - a rombikus kristályrendszer érvénybenmaradása mellett -, hogy egy adott tulajdonság leírásához az ortotrópéhoz képest kevesebb független anyagállandót tartalmaz. Napjainkban a természetes faanyagra transzotróp anyagmodellt csak a kevésbé igényes számításoknál használnak. Már említettük, hogy ha a fatest geometriai méretei - főleg sugár- és érintő irányban - elegendően kicsinyek, akkor a különböző pontjaihoz tartozó természetes koordinátarendszerek egyszerű transzlációval fedésbe hozhatók (azaz, ha egy pont természetes koordinátarendszerét önmagával párhuzamosan eltoljuk egy másik pontba, akkor éppen a második pont természetes koordinátarendszerét kapjuk). Ilyen esetben egyenes vonalú anizotrórpiáról beszélünk. Ha a fatest mérete elér egy bizonyos értéket, akkor valamely pont természetes koordinátarendszerét egy másik pont természetes koordinátarendszerébe csak a transzlációt követő rotációval lehet átvinni. Ezt az esetet görbe vonalú anizotrópiáinak nevezzük. Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a természetes faanyagot homogénnek, esetleg rétegenként homogénnek tekintjük, a szimmetriatulajdonságok szempontjából pedig

3 ortotrópnak vagy még jobban leegyszerűsítve transzotrópnak tételezhetjük fel. A fiktív elemi cella alakját az ábrán láthatjuk, a tulajdonságok mindhárom anatómiai főirányban különböznek (a. ábrarészlet). a tulajdonságok az R és T irányokban megegyeznek ugyan, de bütüsík többi irányában már nem (b. ábrarészlet), a bütüsík izotróp (c. ábrarészlet). Az anizotrópia jellege a faelem méretétől és alakjától függően egyenes vagy görbe vonalú (bizonyos esetekben jó közelítéssel hengeres) lehet. Az e feltételezések mellett végzett elméleti számítások eredményei a gyakorlat igényeit általában kielégítik.

4

5 A FAALAPÚ ANYAGOK ANIZOTRÓPIÁJA MINT TECHNOLÓGIA KIALAKÍTÁS KÖVETKEZMÉNYE Faalapú anyagoknak, fakompozitoknak nevezzük azokat a mesterségesen kialakított szilárd anyagokat, testeket, melyekben a természetes faanyag részeit, részecskéit valamilyen kötőanyag egyesíti. Tágabb értelemben - a definició alapján - ide tartozik minden faszerkezet (bútorok, hagyományos ácsszerkezetek, modern építési szerkezetek), anyagismereti szempontból azonban jelenlegi tanulmányainkban e szerkezetek - egy testnek tekinthető - alkotóelemei képezik vizsgálataink tárgyát. A faalapú anyagok tudatos kialakításának. fejlesztésének fő oka és célja a természetes faanyag bizonyos tulajdonságainak különböző szempontok szerinti javítása. E szempontok közül a legfontosabbak: - az inhomogenitás mértékének csökkentése, - a fizikai-mechanikai tulajdonságok javítása, - az anizotrópia fok csökkentése, - a törzs által nyújtott természetes geometriai méretkorlátok túllépése, - a nedvességtartalomváltozás következtében fellépő méretváltozás (vetemedés) rnértékének csökkentése, - a biológiai károsítókkal, a tűzzel, égéssel szembeni ellenállás növelése, - gazdaságosabb anyagfelhasználás és -kihozatal.

6 A FAALAPÚ ANYAGOK (KOMPOZITOK) CSOPORTOSÍTÁSA I. Természetes faanyag l. Rönk, gömbfa 2. Fürészárú a) Palló b) Deszka c) Léc 3. Furnér (késelt, hámozott) 4. Forgács (darabos, szálkás, finom, bélyeg alakú, fagyapot, fűrészpor) 5. Rost, rostköteg (fibrilla, mikrofibrilla szövedék) 6. Faliszt II. Modifikált faanyag l. Védőszerrel, égésgátlóval kezelt 2. Egyéb kémiai anyaggal kezelt 3. Besugárzott 4. Plasztifikált (hajlított) 5. Műgyantával telített 6. Préselt III. Rétegelt kompozitok 1. Párhuzamos rétegezés a) Rétegelt-ragasztott (egyenes, íves) fa - Rétegelt-ragasztott deszkatartó - Rétegelt-ragasztott furnértartó b) Bútorlapok - Lécbetétes - Furnérbetétes 2. Keresztezett rétegezés a) Rétegelt lemez (sík lap, idomtest) b) Kétoldalt borított (laminált) forgácslapok 3. Szendvicslemezek 4. Fém- és műanyagerősítésű faanyag 5. Mechanikusan egyesített (csavarozott, szegezett) lemezek IV. Részecske kompozitok 1. Forgácslemezek (sík lap, idomtest) a) Egy- és többrétegű b) Orientált c) Extrudált 2. Farostlemezek a) Kemény lemezek b) Középkemény lemezek c) Szigetelő lemezek

7 V. Farost kompozitok a) Papír b) Szervetlen kötőanyagú rostiszaplemez c) Farosterősítésű műanyag VI. Falisztkompozitok (sík lap, idomtest)

8 MODIFIKÁLT FAANYAG A modifikálás jelenti a legkisebb beavatkozást a természetes faanyag eredeti tulajdonságaiba. A különböző védőszerek, égésgátlók, egyéb kémiai kezelőanyagok vagy a besugárzás nem változtatják meg sem az inhomogenitás mértékét, sem az anizotrópia jellegét, bizonyos fizikai-mechanikai tulajdonságok mértékére azonban kedvezően, esetleg kedvezőtlenül hatnak (a kezelés hatására pl. a faanyag ridegebbé válhat). A hőközléssel vagy egyéb anyagokkal plasztifikált faaanyag csak viszonylag rövid ideig marad képlékeny - s ilyen állapotban jelentős alakváltozásokra képes -, majd lényegében visszanyeri eredeti tulajdonságait. A műgyantával telített faanyag homogenitása lényegesen növekszik, bizonyos irányokban, elsősorban a bütüsík irányában a fizikai-mechanikai jellemzők kedvezőbbekké válnak és bár megmarad az ortotróp jelleg, az anizotrópia fok csökken. Préseléskor általában a rostirányra merőlegesen nyomják össze a faanyagot maradandó alakváltozást hozva létre. Ettől a faanyag sűrűsége megnő, inhomogenitása csökken és a rostokra merőleges irányban bizonyos mechanikai jellemzők értéke nagyobb lesz, ami ismét az anizotrópia fok csökkenésével jár. Összefoglalva, a modifikált faanyag anyagmodelljének megalkotásánál ugyanazokkal a feltételezésekkel élhetünk, mint a természetes faanyagnál. A homogén ortotróp, esetleg homogén transzotróp anyagmodell (a, b, c. ábra) a gyakorlat számára elfogadható. RÉTEGELT KOMPOZITOK A rétegezés egyik fő célja a geometriai méretek növelése. A rétegezéssel kialakított tömbök, lemezek, rudak méretei lényegesen meghaladhatják a fatörzs természetes méreteit. A rétegezés egyúttal homogenizálással és az anizotrópia fok csökkenésével is járhat. A párhuzamos rétegezésű kompozitok egyik - az építőipar számára igen jelentős - képviselője a rétegelt ragasztott fa. A hossztoldással végtelenített deszka vagy palló méretű faelemeket lapjukon összeragasztva - elvileg korlátlan keresztmetszeti méretű és alakú - rudakat (a, b, c. ábra), élükön összeerősítve (ragasztással, ékfogas ragasztással, saját vagy idegen csappal, betéttel) pedig sík lapokat, lemezeket (d, e, f. ábra) nyerünk. Az utóbbi időben készülnek tartórudak furnér vastagságú elemek párhuzamos rétegzésével is. Ezek az elsősorban teherviselő szerkezetként felhasználásra kerülő rétegelt-ragasztott fatestek a fizikai-mechanikai tulajdonságok szempontjából nagyon hasonlítanak a természetes faanyagra. Az alkotóelemek (a rétegek) válogatása, rendszerezése, a ragasztás azonban csökkenti az inhomogenitást, a vetemedést és jó hatással van a mechanikai tulajdonságokra is. Párhuzamos rétegezésűek a bútorlapok is, amelyek általában három rétegűek, két borítóés egy középréteggel. A borítóréteg furnér, a középréteg párhuzamosan rétegezett természetes faelemekből (lécekből, furnérból) áll (h. ábra). A párhuzamos rétegezésű ragasztott testek egy tetszőleges pontjának szűk környezetében - a természetes faanyaghoz hasonlóan - rombikus anizotrópia van érvényben, az L,R,T irányoknak megfelelő ortotrópiával. Ha a pont körül valamivel nagyobb környezetet jelölünk ki, olyat amelyik már a szomszédos rétegekbe is beleér, akkor a sugár- és érintőirány megadása már problémát okoz. A párhuzamos rétegezésű ragasztott testek egészének viselkedése szempontjából ezért célszerűen a rostokra merőleges síkot izotrópnak tekintjük. A transzotróp anyagmodell "elemi cellája" a c. ábrának felel meg.

9

10 E modellben a természetes koordinátarendszer egyik tengelye mindig a rostiránnyal párhuzamos, másik két tengelyét a síkbeli izotrópia miatt tetszőlegesen vehetjük fel. Célszerűségi okokból ez utóbbi két tengelyt a kompozit keresztmetszetének oldalaival párhuzamosan vesszük fel. a keresztmetszet ugyanis általában derékszögű négyszög, vagy ilyenbe foglalható. Az ezen szempontok szerint meghatározott természetes koordinátarendszer tengelyeit az anizotrópia szerkezeti főirányainak nevezzük és a továbbiakban az 1, 2, 3 számmal jelöljük. A párhuzamosan rétegezett faelemekre az egyenes vonalú anizotrópia alkalmazható. A párhuzamos rétegezésű ragasztott farudak egyik speciális csoportját alkotják a rétegeltragasztott, íves tengelyű farudak (fatartók). Ezek sajátossága, hogy az egyes rétegeket párhuzamosan görbített állapotban ragasztják össze. Így egy olyan kedvező tulajdonságú íves tengelyű tartószerkezetet nyerünk, amelyben a faanyag rostiránya a tartó minden pontjában az ívhez húzott érintővel párhuzamos A rétegelt-ragasztott, íves farúd anyagmodellje - ugyanúgy, mint az egyenes farúdnál - transzotróp, de anizotrópiája görbevonalú (ha az ív alakja kör, akkor hengeres anizotrópiával van dolgunk. ) A keresztezett rétegezésű fakompozitok legfontosabb képviselője a rétegelt lemez. Ezek furnérvastagságú természetes faanyagból összeragasztott sík (esetleg idompréselt) lapok, rnelyben a szomszédos rétegek anatómiai irányai általában nem párhuzamosak. Az egyes rétegek rostiránya közötti szög 0 és 360 között változhat.

11 A rétegelt lemez legfontosabb előnyei közé tartozik, hogy síkjának geometriai méreteit csak technológiai paraméterek korlátozzák, s hogy ebben a síkban a fizikai-geometriai tulajdonságok anizotrópia foka csökkenthető, ill. a különböző irányokhoz tartozó tulajdonságok kiegyenlíthetők. A nedvességtartalom változás következtében keletkező vetemedés mértékének csökkentése érdekében a rétegezésnek a lemez geometriai. középsíkjára szimmetrikusnak kell lennie. A legegyszerűbb és leggyakoribb rétegelt lemez fajtánál a szomszédos rétegek rostiránya egymásra merőleges (páros számú réteg esetén a két középső párhuzamos) (a, b ábra). E lemezek szerkezeti főirányai a lap síkjában a két egymásra merőleges rostirány, 1 és 2 számmal jelölve, valamint a lap síkjára merőleges 3-as irány. Könnyen beláthatjuk, hogy ezek mindegyike 2-fogású forgatótengely, ill. 2- fogású inverz forgatótengely és a tengelyek által alkotott síkok, a szerkezeti fősíkok, egyben szimmetriasíkok is. Az anizotrópia szempontjából ezek a lemezek egyenesvonalú ortotrópiával modellezhetők. "Elemi cellájuk" az 1.28/d. ábrán látható. Ha a rétegezés olyan, hogy az 1-es és 2-es főirányok fizikai-mechanikai tulajdonságai megegyeznek, akkor az e. ábrán bemutatott "elemi cella" használható, amely még nem jelent síkbeli izotrópiát. Ha a szomszédos rétegek rostiránya 90 -nál kisebb szöget zár be egymással egy lemezen belül a 360 -ot egyenletesen elosztva, az ún. csillaglemezeket kapjuk (c, d. ábra). Könnyen beláthatjuk, hogy minél kisebb a szomszédos rétegek rostiránya által bezárt szög, annál kevésbé változnak a lemez síkjának irányaihoz tartozó tulajdonságok. Bizonyítható, hogy ha φ = 2Π/n, ahol n 5, akkor a lemez síkban izotróp. Ilyen esetekben a csillaglemez "elemi cellája" az f ábrán vázolt körhenger. Az anizotrópia egyenesvonalú és transzotróp. A rétegelt lemezek fontos tulajdonsága, hogy - síkjuk különböző irányaihoz tartozó merevségi és szilárdsági jellemzőinek közel azonos és viszonylag magas értéke miatt - mechanikai szempontból kedvezőnek mondhatók, mint az ugyanolyan méretű természetes faanyag. A lapsíkra merőleges irányhoz tartozó jellemzők gyakorlatilag a természetes faanyag sugárirányú tulajdonságaival egyeznek meg. A keresztezett rétegezésű kompozitok közé sorolhatók a kétoldalt borított (laminált) forgácslapok. Ezek anyagmodelljeként többnyire a borítatlan forgácslapok modellje használható.

12 RÉSZECSKE KOMPOZITOK A részecskekompozitok egyik nagy csoportját a forgácslapok alkotják. Ezek fő alkotórésze valamilyen speciális alakú faforgács, melyeket szerves vagy szervetlen eredetű kötőanyaggal préselés közben egyesítenek általában sík lappá, esetleg idomtestté. A különböző geometriájú forgácsok alkalmas megválasztásával, azok egymáshoz képesti elhelyezkedésével, speciális gyártási technológiák alkalmazásával - a kívánt felhasználási célnak megfelelően - rendkívül változatos belső felépítésű lapokat lehet készíteni. Hosszúkás forgácsokkal, ill. azok lapon belüli egy irányba való elrendezésükkel orientált forgácslapokat lehet létrehozni, amelyeknél kidomborodik az anizotróp jelleg. Bélyeg (pajzs) alakú forgácsokkal kevésbé aniztróp, jó mechanikai tulajdonságú lemezek készíthetők. Ha a forgácsok nagysága közel azonos, egyrétegű, viszonylag homogén lap keletkezik. Bizonyos technológiák lehetővé teszik, hogy a lap külső rétegébe a kisebb szemcsék kerüljenek, így finom felületű. háromrétegű lap gyártható, amelyek szélső rétege jobb mechanikai tulajdonságú. Ha a kötőanyag kikeményedése alatt a lap síkjára merőleges nyomást alkalmaznak. akkor a lemez hajlítómerevsége és -szilárdsága lesz jobb, ha a nyomás a lap síkjával párhuzamos, a nyomómerevség és -szilárdság lesz kedvezőbb. A forgácslap lényegesen homogénebb a természetes faanyagnál. A faanyag anatómiai irányai a forgácslapban gyakorlatilag eltűnnek. Az anizotróp tulajdonságok szempontjából a rombikus anyagok közé sorolható. Szerkezeti főtengelyei a lap síkjában a technológiai gyártási folyamat iránya és az arra merőleges irány, a 3. főtengely pedig a lap síkjára merőleges. Orientált forgácslapoknál a lap két szerkezeti főirányában a tulajdonságok eltérőek, így az egyenesvonalú ortotróp modellt kell alkalmazni (d. ábra). Ha a lap síkjában a szerkezeti főirányokhoz tartozó jellemzők azonosak, akkor a lap összes többi iránya egyenértékű és egyenes vonalú, transzotróp anyagmodell használható (f. ábra). A faroslemezek alapanyaga a faanyag sejtfalának fibrillái, mikrofibrilla kötegei. Kötőanyagként sokszor a lignin ragasztóképességét használják fel. A lapképzés során alkalmazott nyomás nagyságának függvényében különböző sűrűségű, keménységű lapokat lehet készíteni, melyek skálája az önhordó szigetelőlemezektől kezdve egészen a teherviselő lemezekig terjed: A gyártástechnológia következményeként a rostkötegek a gyártási folyamat irányával párhuzamosan rendeződnek, azért a tulajdonságok a lemez síkján belül is eltérhetnek egymástói. A farostlemez az egyik leghomogénebb fakompozit. Anyagmodellként egyenes vonalú ortotrópia vagy még inkább egyenes vonalú transzotrópia alkalmazható (f. ábra). Szerkezeti főirányai a lap síkjában a gyártási folyamat iránya és az arra merőleges irány, valamint a lap síkjára merőleges irány. FAROST KOMPOZITOK A gyártástechnológia főbb vonásainak azonosságából az következik, hogy a papír anyagismereti, belső szerkezeti szempontból leginkább a farostlemezre hasonlít. Ennek megfelelően anyagmodellként az egyenesvonalú ortotrópia vagy transzotrópia alkalmazható. A rombikus anyagmodell használható a rostiszaplemezekre és a farosterősítésű műanyagokra is. Az előbbiekre a nagy homogenitás és a kis anizotrópiai fok, az utóbbiakra a kifejezett inhomogenitás és nagy anizotrópia fok jellemző. FALISZT KOMPOZITOK

13 A faliszt finom porrá őrölt faanyag (mintha a mikrofibrilla kötegeket a szélességüknek megfelelő hosszúságúra darabolnánk). Ezt a finom szemcsés port kötőanyaggal egyesítik egyetlen testté. A faliszt kompozitok homogének, a fizikai- mechanikai tulajdonságok szempontjából nincsenek kitüntetett irányaik, így izotrópok.

14 SZÁMPÉLDÁK AZ EUROCODE 5 SZERINTI ERŐTANI SZÁMÍTÁSOKHOZ l., Állandó magasságú görbe tengelyű gerendatartó szilárdsági ellenőrzése 2., Ragasztott I km-ű, egyenes tengelyű gerendatartó szilárdsági ellenőrzése 3., Húzott rúd hevederezett toldásának ellenőrzése a) Egyoldali szegezett kapcsolattal b) Kétoldali szegezett kapcsolattal c) Szegezonlemezes kapcsolattal 4.) Szögkihúzódás ellenőrzése 5.) Ferde húzott rúd csapos kapcsolatának ellenőrzése (Forrás: Betonkalander 1997: Holzkonstruktionen Informationsdienst Holz Mai)

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29