Mitkä ovat bambu mekaaniset ominaisuudet? Se on luultavasti yksi yleisimmistä kysymyksistä eurooppalaisten tai amerikkalaisten arkkitehtien, insinöörien ja rakentajien keskuudessa. Tällaiset tiedot ovat helposti löydettävissä ja saatavissa puusta, teräksestä, betonista tai jopa suunnitellusta bambutuotteesta, kuten lattia- ja paneelilakeista, mutta bambustappien kohdalla tämä ei pidä paikkaansa. Miksi?

”Bambujen mekaaniset ominaisuudet ovat usein kahdesta kolmeen kertaa suuremmat kuin tavanomaisilla puutavaroilla. Yleismaailmallisiin määräyksiin ja standardeihin liittyvä oikeudellinen epävarmuus estää kuitenkin bambu-puomia monissa maailman puolissa.”

Bambu koostuu monista eri lajeista ja jokaisesta niistä bambulajitniiden rakenteelliset ja mekaaniset ominaisuudet ovat erilaisia ​​kuin puidenkin; Teak-, tamme- tai Balsa-puulla ei myöskään ole samoja ominaisuuksia. Lisäksi yhdellä yksittäisellä bambulajilla voi olla hyvin erilaisia ​​testituloksia riippuen testatun bambu sauvan iästä ja kosteuspitoisuudesta , sen alkuperästä (maaperä, korkeus, ilmasto-olosuhteet) ja testattavasta varren osasta (pohja, keskimmäinen tai ”puun” yläosa).

Toinen tärkeä syy tietojen puuttumiseen on se, että bambu pylväätrakennusmateriaalina on edelleen suhteellisen tuntematon Euroopassa tai Pohjois-Amerikassa (osittain siksi, että rakennusluokan ajastinbambujen ensisijainen kasvu kasvaa trooppisissa maissa). Bambun mekaaniset ominaisuudet on testattu tieteellisesti vasta viimeisen 30-35 vuoden aikana.

Miksi mekaaniset ominaisuudet ovat tärkeitä?

Bambu taivutustesti

Useimmissa maissa ei ole bambua koskevia vakiorakennussääntöjä, mikä vaikeuttaa niitä, jotka haluavat käyttää materiaalia rakentamisessa. Tiettyjen bambuominaisuuksien, kuten palonkestävyyden, lujuusominaisuuksien, kestävyyden jne. Määrittämiseen liittyy jonkinlainen oikeudellinen epävarmuus, mikä tarkoittaa, että säännöksiä ja standardeja tarvitaan kiireellisesti.

Bambujen lujuusominaisuudet on jo testattu yliopistoissa ympäri maailmaa, ja ne tarjoavat erinomaisia ​​tuloksia, jotka ovat monissa tapauksissa paljon parempia kuin perinteiset rakennusmateriaalit. Rakennusstandardit vaativat kuitenkin enemmän kuin pelkästään materiaalin lujuusominaisuudet, muut huomioon otettavat ominaisuudet ovat:

  • Kestävyys
  • Paloturvallisuus
  • Ympäristövaikutus
  • Käyttäjien turvallisuus
  • Energiatehokkuus

Palonkestävyys ja kestävyys ovat alueita, jotka vaativat vielä lisätutkimuksia, ennen kuin bambuille voidaan nimetä vakio rakennusmääräys. Siitä huolimatta on edistytty merkittävästi ottamalla käyttöön kansainvälinen ISO 22157 -standardi bambujen mekaanisista ominaisuuksista.

Kansainvälinen standardointijärjestö (ISO)

Kansainvälinen standardointijärjestö, joka tunnetaan nimellä ISO, on laatinut oman standardinsa bambu mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi vuonna 2004. Tämä on ensimmäinen ja erittäin tärkeä askel saadakseen bambupylväät rakennusmateriaaliksi maailmanlaajuisesti.

ISO 22157 -standardi kuvaa, kuinka taivutuslujuus, puristus, kireys, leikkaus ja kestävyys on määritettävä. Kiinnostuneille ohjeet löytyvättässä.

Tässä artikkelissa esitetään useita testituloksia eri lähteistä ja erilaisista bambulajeista. On tärkeätä huomata, että kaikkia testejä ei suoritettu ISO 22157 -standardin mukaisesti, mutta se antaa yleisen kuvan bambujen mekaanisista ominaisuuksista.

Puristuslujuus

Bambupuun osat
Bambuvarren osat

Puristuslujuutta on kahta tyyppiä, jotka on testattava ISO 22157 -standardin mukaisella puristuslujuudella jyvän suuntaisesti ja jyvälle kohtisuorassa olevalla puristuslujuudella. Kummallisella tavalla ISO 22157 -ohjeet kuvaavat vain viljan suuntaisen puristuslujuuden testausmenetelmiä, mutta eivät tarjoa menetelmää rakeen puristuslujuudelle kohtisuorassa. Tästä syystä keskustelemme vain edellisestä.

Bambu ”puun” luonnollisen muodon vuoksi 3: n varren eri osa on testattava: ala-, keski- ja yläosa. Tämä on välttämätöntä, koska bambuvarrella ei ole jatkuvaa poikkileikkausta, ja alaosan, jolla on suurempi halkaisija, ja yläosan, jolla on pienempi halkaisija, rakenteellisissa ominaisuuksissa on eroja.

Koenäytteet eivät voi sisältää solmua, koska näiden näytteiden tulokset eivät tarjoa tarkkoja tuloksia, koska solmut ovat vahvimpia alueita bambuvarresta. Siksi testinäytteet otetaan kahden solmun (internode) välisestä osasta, koska tämä on bambu-navan heikoin osa.

Rakennustarkoituksiin vain ala-, keskimmäistä ja yläosaa voidaan käyttää pylväinä tai palkkeina. Bambuhuopan ”johtaja-” ja ”kiinni” -osaa ei pidetä hyödyllisinä rakentamisessa niiden pienen halkaisijan vuoksi.

Guadua angustifolian puristuslujuus

Guadua angustifolia -lajien mekaaniset ominaisuudet testattiin ISO 22157 -standardien mukaisesti Los Andes -yliopistossa Bogotassa, Kolumbiassa vuonna 2010. Kolme näytettä, joissa oli 2-3–4- ja 5-vuotiaita Guadua-bambua, määritettiin iän vaikutuksesta sen bambusta. mekaaniset ominaisuudet.

Bambu puristuslujuuden testaus
Bambupakkaustestausasetukset

Bambu-näytteiden keskimääräinen kosteuspitoisuus (mikä on tärkeä parametri) oli vastaavasti 59,3%, 56,5%, 56,7% ja 65,2%. Pohjaosan keskimääräinen ulkohalkaisija oli 13 cm, keskiosan 12 cm ja yläosan 10 cm.

Guadua angustifolian puristuslujuus
Bambuvarsien ikä (vuotta)
2 3 4 5
pohja E (N / mm2) 15500 16500 17400 15200
σ (N / mm2) 39.9 38.1 37.6 32.1
keskimmäinen E (N / mm2) 14900 18000 16800 16500
σ (N / mm2) 27.2 42.1 41.5 34.7
ylin E (N / mm2) 20000 17000 17500 18200
σ (N / mm2) 20.4 42.6 42.1 39,0

Suurin puristuslujuus Guadua angustifolialle havaittiin 3-4-vuotiaissa huokoisissa olosuhteissa, keskimäärin 40 N / mm2 (vihreässä tilassa). Puristuslujuus 5-vuotiaasta Guaduasta laski noin 16% verrattuna 3–4-vuotiaan Guaduan lujuuteen.

Eri bambulajien puristuslujuuden vertaaminen

Seuraava taulukko antaa yleiskuvan eri bambulajien puristuslujuudesta. On tärkeää huomata, että kaikki testitulokset eivät ole ISO 22157 -standardin mukaisia. Taulukossa esitetyt arvot ovat keskiarvoja, joten niissä ei mainita eroja pystysuunnassa tai iässä.

Eri bambulajien puristuslujuus
laji σ (N / mm2) E (N / mm2) ρ (kg / m3) MC (%) Lähde
Bambusa balcooa 39,4 – 50,6 vihreä Kabir et ai
51 – 57,3 ilmakuivaus
69 820 8.5 naik
Bambusa bambos 61 710 9,5
39,1 – 47 Gnanaharan
Bambusa nutans 75 890 8 naik
46 87 Sekhar
85 12
44.7 88.3 Inbar
47.9 14
Bambusa pervariabilis 45.8 15200 Yuen
79 10300 <5 Yu & Chung
35 6800 > 20
Bambusa polymorpha 32.1 95,1 Inbar
Bambusa spinosa 57 Espinosa
Bambusa tulda 40.7 73.6 Inbar
68 11.9
79 910 8.6 naik
Dendrocalamus giganteus 70 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 70 590 8.5
Dendrocalamus membranaceus 40.5 102 Inbar
Gigantochloa apus 21,7 – 26,5 54,3
27,3 – 48,6 15.1
Gigantochloa atroviolacea 23.8 54
35.7 15
Gigantochloa atter 24,8 – 28 72.3 Prawirohatmodjo
31 – 32,9 14.4
Gigantochloa macrostachya 71 960 8 naik
Guadua angustifolia 42 27000 Sotela
63,6 Rwth Aachen
86,3
62 – 93 DB-lehti
56 18400 15 Eicher
63.3 15190 Laroque
28 15000 Trujillo
56.2 17860 Caori
38 14500 Uribe
Melocanna baccifera 69.9 12.8 Inbar
Phyllostachys bambusoides 51 Glenn
63 730 8 naik
44 64 Limaye
40 61
71 9
74 9
54 12 Sekhar
Phyllostachys edulis 44,6 11300 jeni
67 50 – 99 Ota
71 14 – 17
108 5 – 7
147 0,1 – 0,3
117 9400 <5 Yu & Chung
44 6400 > 30
60.3 603 12.5 Kaho
Phyllostachys praecox 79.3 827 28.5
Thyrsostachys oliveri 46,9 53 Inbar
58 7,8

johtopäätös:

Bambun puristuslujuus on karkeasti välillä 40 – 80 N / mm2, mikä on kahdesta neljään kertaan useimpien puulajien arvo . Tulosten ero voidaan selittää käytetyillä testimenetelmillä ja näytteillä. On kuitenkin selvää, että bambu-näytteiden ikä ja kosteuspitoisuus vaikuttavat merkittävästi bambujen puristuslujuuteen. Matalan kosteuspitoisuuden omaavalla bambulla on korkeampi puristuslujuus kuin korkean kosteuspitoisuuden omaavalla bambulla.

 


 

Vetolujuus

Bambujen suurin vetolujuus määritetään testaamalla kuidut (bambuliuskat) eikä kokonaisilla juurinäytteillä. Kuten puristuslujuus, myös ISO 22157 -standardi antaa ohjeita rainan vetolujuudelle, mutta ei rakeelle kohtisuoralle vetolujuudelle.

Bambun vetolujuuden testaamiseksi käytetään 3 laukaisua koko bambuvarren alaosasta, keskiosasta ja yläosasta. Jokaisen nauhan leveys on 10-20 mm, sen paksuus on bambujuovaa ja se on 100 mm pitkä. Kunkin näytteen kosteuspitoisuus on määritettävä ja näytteissä on oltava solmu. Koska solmun kuidun suunta on vastapäätä internode-kuidun suuntaa, solmua pidetään tässä varren heikoimpana pisteenä (puristuslujuutta testattaessa se on päinvastoin).

Seuraava taulukko näyttää suositusten rakenteellisissa sovelluksissa käytettyjen bambulajien vetolujuuden.

Eri bambulajien vetolujuus
laji σ (N / mm2) E (N / mm2) ρ (kg / m3) MC (%) Lähde
Bambusa balcooa 164 820 8.5 naik
Bambusa bambos 121 710 9,5
Bambusa nutans 208 890 8
Bambusa tulda 207 910 8.6
Dendrocalamus giganteus 177 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 177 590 8.5
Dendrocalamus strictus 160 17500 11,4 Janssen
Gigantochloa apus 294,1 54,3 Prawirohatmodjo
298,9 15.1
Gigantochloa atroviolacea 237,4 54
237,4 15
Gigantochloa atter 273 – 299,8 72.3
247 – 332 14.4
Gigantochloa macrostachya 168 960 8 naik
Gigantochloa pseudoarundinacea 177,9 27631 690 Arce-Villalobos
149,4 19643 629
Guadua angustifolia 148 – 384 DB-lehti
191,9 Lopez
90 Trujillo
162,7 17900 – 24100 Laroque
Phyllostachys bambusoides 140 730 8 naik
120 12 Janssen
Phyllostachys edulis 115 – 309 8987 – 27397 553 – 1006 4,9 – 7,8 yu

johtopäätös:

Bambujen keskimääräinen vetolujuus on noin 160 N / mm2, mikä on usein  3 kertaa korkeampi kuin useimmissa tavanomaisissa rakennuslaatupuissa .

 


 

Leikkauslujuus

Bambujen suurin leikkausjännitys on tärkeä tekijä sopivien puusepänjärjestelmien ja liitosten suunnittelussa. Leikkausjännitykset voivat tapahtua kahdella tavalla, yhdensuuntaisina jyvän kanssa ja kohtisuorassa jyvän kanssa. Jälleen, ISO 22157 -standardit tarjoaa vain ohjeita leikkausjännityksen mittaamiseksi samansuuntaisesti viljan kanssa.

Kolme näytettä bambuvarren ala-, keski- ja yläosasta testataan. Ero tällä kertaa on, että puolella koenäytteistä tulisi olla solmu ja toisella puolella ei tulisi olla solmua.

Jokainen näyte mitataan huolellisesti ennen testausta. Testikappaleen korkeus ja lietteen paksuus mitataan 4 vyöhykkeellä, joilla leikkaus tapahtuu. Tämä on tärkeää, koska bambuhuoko ei ole tasapaksuinen ja näytteen poikkileikkauksia ei ehkä suoriteta täydellisesti.

Guadua angustifolia leikkauslujuus

Bogotan Los Andes -yliopisto tutki samoin Guadua angustifolian puristuslujuutta myös samoissa Guadua-näytteissä leikkausjännityksessä ISO 22157 -standardin mukaisesti.

Seuraavassa on muutamia kuvia testiasennuksista:

Bambuleikkauslujuuden testaus
Bambuleikkaustesti

Guadua angustifolia -leikkauslujuus näytteen iän ja sijainnin mukaan on esitetty seuraavassa taulukossa:

Guadua angustifolia leikkauslujuus
Bambuvarsien ikä (vuotta)
2 3 4 5
pohja τ (N / mm2) 7.2 7,4 7,5 6.6
keskimmäinen τ (N / mm2) 7,5 8.2 8.0 7,4
ylin τ (N / mm2) 7.2 8.1 7,6 8.0

Puristuslujuustulosten tapaan Guadua tarjoaa suurimman leikkauskestävyyden 3-4-vuotiaan varren keski- ja yläosassa. Guadua angustifolian keskimääräinen leikkauslujuus on 8 N / mm2  (kosteuspitoisuus noin 56,6%).

Eri bambulajien leikkauslujuuden vertaaminen

Eri bambulajien leikkauslujuus on lueteltu alla olevassa taulukossa. Emme voi vieläkään vahvistaa, että kaikki testit suoritettiin ISO 22157 -standardien mukaisesti, mutta se antaa yleisen käsityksen.

Eri bambulajien leikkauslujuus
laji τ (N / mm2) ρ (kg / m3) MC (%) Lähde
Bambusa balcooa 11.9 820 8.5 naik
Bambusa bambos 9.9 710 9,5
Bambusa nutans 10,5 890 8
6,7 Sekhar
7,7
7,9
9,8
7,9
Bambusa pervariabilis 10,3 12 Janssen
8.7 12
Bambusa tulda 9.9 910 8.6 naik
Dendrocalamus giganteus 10,6 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 6,7 590 8.5
Gigantochloa apus 6 – 7,7 54,3 Prawirohatmodjo
7,5 – 7,7 15.1
Gigantochloa atroviolacea 6,4 – 11,3 54
7,9 – 9,5 15
Gigantochloa atter 5.8 – 10.8 72.3
9,5 – 10,8 14.4
Gigantochloa macrostachya 9.6 960 8.1 naik
Guadua angustifolia 4 – 5 Trujillo
16,7 Rwth Aachen
Phyllostachys bambusoides 8.7 730 8 naik
Phyllostachys edulis 8,9 – 12,5 12.5 Ota
8,9 vihreä Dickerson

johtopäätös:

Viljan suuntainen leikkausjännitys on noin 10 kertaa pienempi kuin puristuslujuus ja jopa 20 kertaa pienempi kuin saman bambulajin vetolujuus. Silti bambuleikkauslujuus on usein kaksinkertainen suosittujen puulajien arvoon .

 


 

Taivutuslujuus

Taivutuslujuudella on suora vaikutus rakenteen käyttäytymiseen, on välttämätöntä ennustaa rakenteen kunkin elementin taipuma ennen sen rakentamista. Yleisin menetelmä palkin tai pylvään taipuman määrittämiseksi on nelipisteinen taivutuskoe.

Guadua angustifolia taivutuslujuus

Nelipisteinen taivutustesti, kuten ISO 22157 -standardi vaatii, suoritettiin Los Andes -yliopistossa Kolumbiassa . Testaus suoritettiin samoilla bambu-navoilla kuin testissä puristus- ja leikkauslujuuden määrittämiseksi.

Bambu taivutustesti
Bambu taivutustesti

Tämän nelisen pisteen taivutuskokeen aikana tutkitaan joustokerrointa (MOE) ja murtumiskerrointa (MOR). Näiden testien tulokset esitetään seuraavassa taulukossa.

Guadua angustifolia taivutuslujuus
Bambuvarsien ikä (vuotta)
2 3 4 5
pohja MOE (N / mm2) 16900 16700 17000 18000
MOR (N / mm2) 93,6 88,8 86,9 86,3
keskimmäinen MOE (N / mm2) 17700 15800 17000 18700
MOR (N / mm2) 84,7 91,6 103,7 86,9
ylin MOE (N / mm2) 16100 19400 18300 15500
MOR (N / mm2) 107,3 97,8 103,8 107,0

5-vuotiaiden Guadua angustifolia -napojen kimmokerroin on suurin varren ala- ja keskiosassa. Varren yläosassa mitataan korkein kimmokerroin, kun ne ovat 3-4 vuotta vanhoja. Murtumiskerroin on suurin varren yläosassa, kaiken kaikkiaan voidaan päätellä, että Guadua angustifolian keskimääräinen taivutuslujuus on 100 N / mm2 .

Eri bambulajien taivutuslujuuden vertaaminen

Seuraava taulukko on yhteenveto useiden bambulajien taivutuslujuudesta. Tulokset saattavat osoittaa pieniä poikkeamia, koska kaikkia tietoja ei saatu ISO 22157 -standardissa määritellyllä nelipisteisten taivutuskokeilla   norm. Siitä huolimatta ne antavat yleisen käsityksen eri bambulajien taivutuslujuudesta.

Erilaisten bambulajien taivutuslujuus
laji MOR (N / mm2) MOE (N / mm2) ρ (kg / m3) MC (%) Lähde
Bambusa balcooa 62,4 – 85 7200 – 10300 vihreä Kabir et ai
69,6 – 92,6 9300 – 12700 ilmakuivaus
151 13603 820 8.5 naik
Bambusa bambos 143 14116 710 9,5
35 – 39,3 1500 – 4400 Gnanaharan
Bambusa nutans 52,9 6700 88.3 Inbar
52.4 10700 14
56 – 79 8800 – 10000 vihreä Sekhar
76 – 100 9300 – 16000 ilmakuivaus
216 20890 890 8 naik
Bambusa pervariabilis 37 16400 > 20 Yu & Chung
80 22000 <5
Bambusa polymorpha 28,3 3100 95,1 Inbar
35.5 4100 13.9
Bambusa spinosa 55.4 ilmakuivaus Espinosa
44.9 ilmakuivaus
55 10300 ilmakuivaus Teodoro
Bambusa tulda 51,1 800 73.6 Inbar
66.7 1000 11.9
194 18611 910 8.6 naik
Dendrocalamus giganteus 193 16373 740 8
Dendrocalamus hamiltonii 89 9629 590 8.5
Dendrocalamus membranaceus 26,3 2400 102 Inbar
37.8 3700 7
Dendrocalamus strictus 68 12000 vihreä Limaye
107 15600 ilmakuivaus
92 – 97 13700 – 16000 12
105 13200 61
98.5 13600 55
Gigantochloa apus 102 54,3 Prawirohatmodjo
87.5 15.1
Gigantochloa atroviolacea 92.3 54
94,1 15
Gigantochloa atter 87,9 – 108,1 72.3
117,7 – 127,7 14.4
Gigantochloa macrostachya 154 14226 960 8 naik
Guadua angustifolia 53.5 7400 Gnanaharan
144,8 17600 Janssen
74 – 100 17900 15 Eicher
46 11800 Trujillo
82 12500 600 12,6 De Vos
72.6 17608 640 11,4 Inbar
Melocanna baccifera 57,6 12900 12.8
Phyllostachys edulis 55 9600 > 30 Yu & Chung
51 13200 <5
83 8400 530 10,3 De Vos
Thyrsostachys oliveri 61,9 9700 53 Inbar
90 12200 7,8

johtopäätös:

Taivutuslujuus useimpien bambu lajien vaihtelee välillä 50 ja 150 N / mm2 ja on keskimäärin kaksi kertaa niin vahva kuin useimmat perinteiset rakenteelliset puutavaraa . Saman lajin sisäiset vaihtelut johtuvat testatun bambun erilaisista testimenetelmistä, näytteen laadusta ja kosteuspitoisuudesta.