Ugrás a tartalomhoz

Faépítés

Andor Krisztián, Bejó László, Hantos Zoltán, Józsa Béla, Karácsonyi Zsolt, Oszvald Ferenc Nándor, Sági Éva, Szabó Péter, Wehofer Valéria

Educatio Társadalmi Szolgáltató Nonprofit Kft.

29. fejezet - Fa a szerkezetekben

29. fejezet - Fa a szerkezetekben

Az európai szabvány

Az Európai Unióban az egységesítés jegyében az építési szabványokat is egymáshoz harmonizálták. Az építőipari szabvány a belföldi piacot hivatott szabályozni.

Az építési szabvány abban különbözik a többi szabványtól, hogy nem termékre, hanem építési szerkezetre vonatkozik. Ennek oka az, hogy termékek a rájuk vonatokzó követelményeket csupán a beépítés után tudják kielégíteni. Az építési szabvány hat követelményt támaszt az építési szerkezetekkel szemben: mechanikai szilárdság és állékonyság, tűzállóság, higiénia, egészség és környezetvédelem, használhatósági biztonság, zajvédelem és energiatakarékosság. Ahhoz, hogy a kapcsolat létrejöhessen ezen követelmények és a termék műszaki tehetőségei között, az EU hat alapdokumentumot adott ki. Az alapdokumentumok a tagállamok harmonizált szabályait tartalmazzák. Néhány részben a legújabb kutatási eredményeket tartalmazza.

Az építési szabvány arra épül, hogy a terméknek, melyet piacra dobnak, a feladatát teljesítenie kell. Tehát olyan tulajdonságokat kell kiemelnie, melyek biztosítják, hogy a szerkezet, melybe a terméket beépítették, a vele szemben támasztott követelményeknek megfelel. Az ilyen termékek CE jelzést viselhetnek.

A fa- és faalapú építőanyagokra vonatkozó európai szabványok

A különféle műszaki delegációk, melyek a szabványok szövegezésével foglalkoznak, négy foglalkozik kizárólag fa- és faalapú termékekkel:

  1. CEN/TC 38 fa- és faalapú termékek tartóssága

  2. CEN/TC 112 faalapú lemeztermékek

  3. CEN/TC 124 fa-tartószerkezetek

  4. CEN/TC 175 rönk és fűrészipari fa

A faszerkezetekre vonatkozó EC5 szabványokat ezek dolgozták ki.

A faanyag a tartószerkezetekben

A fa egy világszerte hozzáférhető újrahasznosítható alapanyag. Megfelelő felhasználásával az éves után-növekedés képes követni a világ faanyagszükségletét. Feldolgozásához szükséges rendkívül alacsony energiaszükséglet a faanyag-feldolgozást rendkívül környezethatékony módszerré teszi. Így a faanyagok feldolgozása, alkalmazása, hasznosítása sokkal kisebb károsító hatással van a környezetre, mint egyéb alapanyagok. A fák növekedésük során széndioxidot kötnek le a természetből. Ezt a fa a sejtfalakban különböző szerves anyagok formájában illetve a sejtfalat építő anyagok formájában tárolja. A fotoszintézis melléktermékeként keletkező oxigén egyben a légkörünket is „frissíti”. A fa egy élő anyag, anizotrópikus tulajdonságokkal rendelkezik, ami a különböző környezeti hatásoknak megfelelően változhat. A terhelés időlefolyása jelentősen befolyásolja a faanyag szilárdságát és a fellépő alakváltozásokat. E tulajdonságok nemcsak fafajonként változhatnak, hanem egy fafajon belül is nagy szórást mutatnak. Ezt könnyű belátnunk, hiszen a világ egyes tájain, vagy akár egy országon belül is különböző életfeltételeket talál a fa és ezáltal a fából kinyerhető faanyagnak is különféle tulajdonságai alakulnak ki. A tervezőknek tisztában kell lenni ezzel a tulajdonságváltozással és a faszerkezetek tervezése során ezeket figyelembe kell venniük.

A fából nyerhető termékek és faalapú anyagok Az erdőből kitermelhető fák mérete alapvetően meghatározza a belőlük nyerhető építőanyag geometriai méretét. De amíg száz évvel ezelőtt még minden további nélkül beszerezhető volt egy 20x50cm-es keresztmetszetű, akár 20 méter hosszúságú gerenda, addig ma 8x20cm-es szelvényméret, és 5 méter hossz fölött már problémás a beszerzés, illetve magas a felár. Az ilyen problémák ellen nagyon jó megoldás az, hogy a mai építőipari és építési technológiák már lehetővé teszik, hogy kisebb faelemekből egy nagyobb, együtt-dolgozó rendszer készüljön. Ismert példa a deszkákból vagy legfeljebb pallókeresztmetszetből készített rétegelt-ragasztott tartó. Meg kell említenünk a fa geometriai tulajdonságai mellett teherbírási és alakváltozási tulajdonságait is. A fa élő anyagként rendkívül széles szórású szilárdsági és rugalmassági tulajdonságokkal bír. Ennek a nagy szórásnak a kordában tartására két megoldás létezhet, amit a gyakorlatban is alkalmazhatunk: Az egyik a faanyag osztályozása. Ilyenkor egy vagy több faanyag-tulajdonság szerint osztályokat képzünk, és a fűrészárú vizsgálatával meghatározzuk, hogy az aktuális faanyag melyik csoportba sorolható be. A másik megoldás a tovább-feldolgozás. Ilyenkor a fahibákat és rosszabb, gyengébb minőségű részeket eltávolítják, aztán a részekből valamilyen eljárás segítségével önálló faterméket, úgynevezett faalapanyagot hozunk létre. A faalapú anyagok gyártáshoz elengedhetetlen a ragasztástechnika.

A faanyagok osztályozása

A faanyagok osztályozása történhet manuálisan, vizuális úton, és géppel. Az osztályozás során rendszerint olyan tulajdonságokat figyelünk meg, amelyek közvetlenül befolyásolják a faanyag szilárdságát, vagyis az ezen tulajdonságok szerint történő besorolás közvetlenül értelmezhető szilárdsági besorolásként is. Gépi osztályozás esetén általában a rugalmassági modulus ez a tulajdonság, vizuális osztályozás esetén általában fahibák, göcsök, évgyűrű-szélesség, rostlefutás alapján történik a besorolás. A szilárdsági osztályozás, kategorizálás jelentős mértékben megkönnyíti, illetve segítő szándékkal behatárolja a faszerkezet tervezést. Ezáltal könnyebben választja ki a tervező a célra szükséges faanyagot, illetve keresztmetszeteket. Az egyes faanyag-osztályokhoz tartozó szilárdsági- és rugalmassági tulajdonságok ismeretében könnyedén kiválasztható a szerkezethez leginkább szükséges faanyag, illetve azon belül a szilárdsági kategória. Természetesen nem minden esetben a szilárdság az egyetlen tulajdonság, amit figyelembe vesz a szerkezettervező. Fontos lehet a faanyag megjelenése, tartóssága, várható élettartama, faanyagvédőszerrel, felületkezelő anyagokkal való kezelhetősége, ragaszthatósága, feldolgozhatóság; ezek a tulajdonságok a szerkezet bekerülési költségét is alapvetően behatározzák. A szabványosított fűrészárú keresztmetszetek megkönnyítik a tervezés és feldolgozás további lépéseit.

Faalapú termékek.

A fa természetes növekedése során egy rendkívül inhomogén anyagot termel. Göcsök, gyantatáskák, csavarodás, ferde rostlefutás és egyéb fahibák jelentősen befolyásolják a faanyag tulajdonságait – általában gyengítik. Ha a fát apró darabokra szedjük és kihagyjuk belőle a „használhatatlan” részeket, akkor az apró darabokból újra felépített „fa” sokkal jobb és homogénebb minőségű anyagként fog viselkedni. Az „újra összerakás” alatt általában valamilyen ragasztási technológiát értünk. A ragasztási technológiákkal nagyon nehéz elérni, gyakorlatilag lehetetlenség a természetesen nőtt fa fizikai-, mechanikai tulajdonságait. Azonban a hibakiejtés révén egy homogénebb, tervezés szempontjából jóval kedvezőbb anyagot kapunk. Pl. a rétegelt-ragasztott tartó szilárdsága semmivel sem nagyobb a fűrészárúénál, csupán a benne lévő fahibák aránya jóval kisebb, és ezért egy homogénebb, minden szempontból kedvezőbb anyagnak minősül. Persze a kiejtett fahibák révén előfordulhat, hogy a rétegelt-ragasztott tartó egy vagy kettővel magasabb szilárdsági osztályba kerül, mint az alapanyagul szolgáló fűrészárú lett volna. Következő felsorolásban a különböző fatermékekhez szükséges alapanyagokat mutatjuk be.

  1. Termék: paliszádelem, alapanyag: rönk.

  2. Termék: építőfa, alapanyag: fűrészárú.

  3. Termék: rétegelt-ragasztott tartó, alapanyag: deszka,

  4. Termék: rétegelt lemez, alapanyag: műszaki furnér.

  5. Termék: LVL gerenda, alapanyag: szerkezeti furnér.

  6. Termék: OSB lap, alapanyag: strand, faostya

  7. Termék: forgácslap alapanyag: faforgács.

  8. Termék: forgácslap, alapanyag: farost.

A hengeres fa (poliszádelem) némiképpen kivételt képez, hiszen a kérgezés és körmarás során a rostok nincsenek átvágva, emiatt lényegesen magasabb szilárdságot érhetünk el.

Fa és fatermékek tulajdonságai

A természetes fa anizotrópiája révén a különböző anatómiai irányokban különböző tulajdonságokkal rendelkezik. A rostokkal párhuzamosan, vagyis a rönk hosszirányában az anyag szilárdsága rendkívül magas, míg erre merőlegesen nagyon alacsony. A húzó szilárdság ebben a két irányban 1:40 arányú, vagyis rostirányban 40-szer nagyobb húzószilárdsággal rendelkezik, mint rostokra merőlegesen. Ezért könnyű a fát rostokkal párhuzamosan hasítani, míg a rostokra merőlegesen gyakorlatilag lehetetlen. Ezt az anozotrópiát a legtöbb kompozit-anyag kiküszöböli, hiszen a forgácslapok, farostlemezek esetén a kis farészecskék rostiránya a síkon belül tetszőleges lehet, így ezek az irányok többé már nem tudják befolyásolni a fatermék tulajdonságait.

A fa higroszkopikus, emiatt tulajdonságai jelentősen függnek az beépítési klímától, különösen a nedvességtartalomtól. A fában lévő víz a száraz fa tömegének arányát nettó nedvességtartalomnak nevezzük, százalékos értékben szoktuk megadni. Amennyiben ez a nedvességtartalom 0 és 30 % között van, és változik, úgy a fa térfogatváltozása is bekövetkezik. Ez nedvesség tartalom növekedéskor dagadást, nedvesség tartalom csökkenéskor pedig zsugorodást okoz. Ez a dagadás-zsugorodás a rostra merőleges irányban elérheti az 5-10 % -ot is, a 0-30 % -os nedvességtartalom közötti tartományban. Ez az oka annak, hogy a faanyagot lehetőség szerint olyan nedvességtartalommal kell beépíteni, amely a beépítési klímához is tartozik. Ezzel a beépítés utáni térfogatváltozások és alakváltozások minimálisra csökkenthetők. Egy favázas építési mód esetén ezek az alakváltozások egyéb anyagok beépítésével, és a beépítési móddal (pl. keretek kialakítása) is befolyásolhatók. A keretes építési mód azt a tulajdonságot használja ki, hogy a fa rostirányban viszont nagyon kismértékben dagad-zsugorodik, így ha egy keretet úgy készítünk el, hogy annak minden oldalán a fa hosszirányban van, a keret a nedvességváltozás tekintetében mérettartó lesz. A nedvességtartalom változása során a faanyag tulajdonságai közül nemcsak a geometriai méretek, hanem a fizikai-mechanikai tulajdonságok is változnak. A nedvességtartalommal arányosan változik a szilárdság, és a rugalmassági modulus.

A nedvességtartalom jelentősen befolyásolja a tartós alakváltozásokat is. A fa termikus, hőtechnikai tulajdonságai rendkívül kedvezőek. Relatív alacsony hővezetési tulajdonsága révén a faanyag hőhídképzése elenyésző. A rostokra merőleges irányú alacsony hővezetési képesség egy tűzeset során is nagyon kedvező tulajdonságokat okoz. Hiszen az elégett farészek szigetelik a még nem égő farészeket. Ez a hőszigetelő képesség egy tűzeset során is felhasználható. Hiszen a fafelület –még ha a másik oldala ég is– nem melegszik fel annyira, hogy az már balesetveszélyes lehessen. Meg kell említenünk a tűzeset során a fa, pontosabban a fa hőmérsékletnövekedése miatt a fából felszabaduló gyúlékony gázok bizonyos hőmérséklet fölött maguktól is begyulladhatnak, tehát a fa éghető. Ez a gyulladás képesség azonban különféle tűzgátló, illetve gyulladásgátló anyagokkal csökkenthető. Az égő fa felületén képződő szénréteg egyfajta hőszigetelés és oxigén-gátként működik, emiatt a beégés csak egy bizonyos sebességgel tud lejátszódni. Tehát a faanyag keresztmetszet csökkenése folyamatos; tűzállósága –vagyis az az idő, amikor már elveszti teherhordó képességét– számolható, adott időtartamhoz szükséges keresztmetszet tervezhető. Tűzállóság szempontjából a nagy, robosztusabb fakeresztmetszetek sokkal kedvezőbbek, mint a filigrán, kis keresztmetszetű rendszerek. Tehát a rétegelt-ragasztott tartó tűzeset szempontjából jóval kedvezőbb, mint egy rácsos tartó. Ezért a rácsos tartót valamilyen tűzgátló anyaggal borítani, burkolni kell. Ugyanilyen tűzvédő burkolatot, borítást kell alkalmazni a fémkapcsolatok védelmére is, hiszen a tűzesetkor fellépő magas hőmérsékletek a felmelegedő fém alkatrészeket meglágyítják és hatalmas alakváltozásokat okozhatnak.

A fa természetes eredete révén része a természetes anyagkörforgásnak. A faanyag rögtön a kitermelés után elhal és elkezd lebomlani, ez természetesen egy nagyon lassú folyamat, de kimutatható. Azonban a faanyagválasztással, faanyagvédőszerek, faanyag kezelő szerek alkalmazásával ez a folyamat kordában tartható és a faanyag a szerkezet élettartamát kiszolgálja. Erre az építő ember már korán rájött és Európa szerte található faépületeibe tartós, ellenálló faanyagokat épített be. A faanyagválasztás mellett nagyon fontos a konstrukciós faanyagvédelem, vagyis a faszerkezeteink víz elleni védelme.

Szerkezetek tervezése

Leegyszerűsítve elmondható, hogy a faanyag és az acélszerkezetek tervezése hasonló módon történik. Mindkét anyag nagyjából hasonló alapelvek szerint méretezhető, és leginkább rúdszerű formában kapható, azonban más változatuk is előállítható. A kötések, kapcsolatok kialakítása is hasonló módon történik. A feldolgozás, a forgácsolási technika, a felületkezelés szükségessége, mind-mind rokonértelmet mutat. Gyakori az az eset, hogy egy tartószerkezeti célra fa és acél egyaránt megfelelő lenne. A következő táblázat az acél és fa rokonságát, illetve különbségeit mutatja be.

Rokonságok:

Acél: szelvényárú Fa: fűrészárú

Acél: I tartó Fa: I tartó

Acél: lemez, Fa: táblás falmez

Acélí. hegesztés, Fa: ragasztás

Acél: csavarkapcsolatok Fa: csavarkötések

Különbségek:

Acél: izotróp Fa anizotróp

Acél: iparilag előállított Fa: természetesen növekedő

Acél: homogén Fa: inhomogén

Acél: hőmérséklet változásra alakváltozik Fa: nedvességtartalomra változik

A rendkívül kedvező módon vesz fel húzó-, nyomó-, és hajlító igénybevételeket. Keresztirányú húzó igénybevételek esetén azonban fellép a fa repedés veszélye. Teherbíró tulajdonságai révén a fa kitűnően alkalmas tetőszerkezetek, lakóépületek, de különböző mérnöki szerkezetek, pl. hidak, tornyok építésére. A fa rugalmassági modulusa jóval kisebb, mint egy acélszerkezeté, vagy egy betonszerkezeté. Azonban, ha ezt a rugalmassági modulust az önsúlyra vonatkoztatjuk, már egy jóval kedvezőbb arányt kapunk. Az egyszerű és kis energiaszükségletű feldolgozás révén a fából sokféle alak és forma kialakítható. A feldolgozása jól gépesíthető, de szükség esetén kézzel is könnyedén megmunkálható. Mivel a fa egy szimpatikus, meleg anyag, nemcsak szerkezeti anyagként, belsőépítészeti alapanyagként is nagyon elterjedt. A két felhasználási mód kombinációja a látható tartószerkezet. Fából nagyon fantáziadús, látványos épületek építhetőek, ha a látszó szerkezetet választjuk. Így a fa egyben elégíti ki a statikai és esztétikai igényeket Az acél és fa kombinációjával nagyon kedvező szerkezetek érhetők el. Gondolhatunk arra is, hogy a fa biztosítja egy öszvér szerkezet nyomott-, az acél pedig a szerkezet húzott övét. De gondolhatunk arra is, hogy fából áll a szerkezet és acélból a különböző kötések, kötőelemek. Mivel fából valamelyest nagyobb keresztmetszetek alkalmazandóak egy bizonyos célra, így a fa szerkezet kihajlását tekintve kevésbé veszélyes, mint egy acélszerkezet. A fa általában négyzetes, négyszögletes keresztmetszettel készül, de ipari méretekben egyéb, kedvezőbb keresztmetszetű szelvény is készíthető. A fa nemcsak acéllal, hanem betonnal is kombinálható. A fa-beton öszvérszerkezetek esetén a fa a húzott, a beton pedig a nyomott szerkezeti részek alapjául szolgál. Ez egy szokványos, hajlított igénybevételeknek kitett vízszintes szerkezet esetén úgy alakul, hogy a beton lesz a felső réteg, ami egyben egy időjárás és kopásálló felületet is hoz létre. Ez a szerkezet kitűnően alkalmas hidak, vagy akár tetőtér beépítés kivitelezésére is.

A fa egy természetes anyag és ez jelentősen befolyásolja tulajdonságait, azonban a szilárdsági osztályozás révén egy szerkezeti célokra is alkalmas, tervezhető, mégis ökologikus, újrafelhasználható anyagot kapunk. A fa egy nagyon könnyű anyag, önsúlyához viszonyítottan rendkívül magas szilárdsági tulajdonságokkal. A fa szilárdsági és alakváltozási tulajdonságai jelentősen függnek attól, hogy a terhelés milyen szögben érkezik a fa rostirányához képest. Rostirányban a fa rendkívül nagy teherbírású és merev, míg rostra merőlegesen ezek a tulajdonságai csekélyek, gyengék. A fa mechanikai tulajdonságai, teherbírása, alakváltozásai a beépítési klíma nedvességének változásával párhuzamosan változnak. Az élettartam során folyamatosan változó nedvességtartalom nagymértékben rontja a faanyag amúgy kedvező tulajdonságait. Ezeket a tervezés során figyelembe kell venni. Annak ellenére, hogy a fa egy gyúlékony, éghető anyag, égés során a jellemző tulajdonsága –a keresztmetszet csökkenése– tervezhető és ezáltal a fát tűvédelmi szempontból kedvező anyagnak kell minősíteni. A faanyag jól kombinálható más szerkezeti anyagokkal, akár acéllal, vagy betonnal.

MÉRETEZÉS

Méretezés határállapotmódszerrel és biztonsági tényezős módszerrel

Más építőanyagoktól eltérően, a faanyagra az EUROCODE külön szabályokat dolgozott ki, így a teher időtartamának hatására, a fanedvesség-tartalom hatására és a tökéletesítés faanyagra történő hatására.

Számítási módszer

Mielőtt a tartószerkezetek méretezési módszerét bemutatjuk, fontos kitérni egy szerkezet vizsgálatára, hogy egy általános számolásmódot rögzítsünk. A mechanikai modell megválasztásánál figyelembe kell venni a tartószerkezet kivitelezési minőségét is. Bizonyos tartószerkezeteknél, ahol a kis geometriai eltérések is komoly igénybevételeket okozhatnak, különösen be kell tartani a méretezésnél feltételezetteket. A kapcsolatoknál általában nagyobb kontaktfelületekre van szükség, hogy a kialakuló helyi feszültséget csökkentsük, a külpontosságra ügyelve.

Normatívák a határállapotmódszerhez

Az EC a határállapotok módszeren alapszik. Ez azt jelenti, hogy a követelmények a a határállapot-mószerrel vannak összekötve. A határállapot olyan állapot, melyen túllépve a szerkezet a felvett terheket nem képes tovább elviselni. Az EC rendszerében két határállapotmódszer található: Teherbírási határállapotok, és a használhatósági határállapotok Teherbírási határállapotoknak a tartószerkezeten lévő emberek, tartószerkezet, továbbá az ott tárolt anyagok, állatok biztonságával kapcsolatos határállapotot nevezzük. A teherbírási taárállapot egyik fajtája a helyzeti állékonyság, amikor a tartószerkezet, mint merev test, egyensúlyát veszti. Másik fajtája a túlzott alakváltozás, a tartószerkezet szilárdsági törése, stabilitásának elvesztése, tönkremenetele. Harmadik fajtája a fáradás, vagy más időtől függő hatások miatti tönkremenetel.

A használhatósági határállapotnak a tartószerkezet a szokásos használati körülmények közötti használhatóságával (az emberek komfortérzetével, a szerkezet külső megjelenésével) kapcsolatos határállapotokat nevezzük. Megkülönböztetünk reverzibilis és irreverzibilis határállapotokat.

Méretezés félvalószínűségi eljárással

A félvalószínűségi eljárás olyan speciális determinisztikus modell, melynek paramétereit és az erőtani vizsgálat eseteit aszerint veszik fel, hogy azok egy stochasztikus modell és tapasztalati/elméleti megfontolások alapján nyerhető eredményeket jól közelítsék. A módszer legfontosabb paraméterei a hatások, pítőanyagtulajdonságok, és a geometriai méretek. A tervezésnél biztosítani kell, hogy a határállapot ne következhessen be. Szimbolikusan

ahol

Sd: a szerkezetnek a terhek és a geometriai adatok tervezési értékéből meghatározható hatásoldali állapotjellemzője

Rd: a szerkezet szilárdsági és geometriai adatok tervezési értékéből megállapítható ellenállási állapotjellemzője

A reprezentatív és a karakterisztikus érték

A hatás és ellenállás tervezési értékeinek gyakorlati meghatározásának kiinduló adata, általában a karakterisztikus érték illetve az esetleges a hatások esetén, a reprezentatív érték. A hatások esetén a karakterisztikus érték a hatás jellegétől függően a tervezett élettartamra prognosztizált állandó- és esetleges tehermaximumok adott referenciaidőszakra vonatkoztatott alsó-, vagy felső küszöbértéke vagy várható értéke, melynek jelölése: Qk A reprezentatív érték a hatásnak a határállapot igazolásakor alkalmazott értéke. A legfontosabb reprezentatív érték a karakterisztikus érték Gk vagy Qk. További reprezentatív értékek:

Az 1. táblázatban a értékére vannak példák megadva. A teljes felsorolás az EC1-ben található.

Az építőanyagok esetében a karakterisztikus érték az anyag statisztikai eloszlása alapján egy előírt 5%-os küszöbérték, mely előírt kísérlet alapján van meghatározva: A kísérlet időtartama 5 perc, hőmérséklet: 200C, relatív páratartalom 65%.

Tervezési érték

Az adott rendeltetésű szerkezetnél vállalható optimális kockázatnak a hatás és az ellenállás oldalára való szétosztásának megfelelően a hatások és ellenállások tervezésekor alkalmazott értéke. A félvalószínűségi eljárásnál egy-egy teher mértékadó értéke elvileg 95%-os küszöbérték, ami a várható érték és a biztonsági tényező szorzataként számítható. A biztonsági tényezők értékeit a különféle esetekre a 2. táblázat tartalmazza:

A redukált biztonsági tényezők egyszintes épületnél, ahol alacsony feszültségek ébrednek és csak kevés ember tartózkodik, alkalmazható.

A tervezési érték az alábbi összefüggéssel számítható:

Végezetül az igénybevételeket (Sd) a hatások tervezési értékeiből, geometriai méretekből, és adott esetben az anyagtulajdonságokból határozzuk meg:

Az egyszerűsítés kedvéért a kedvezőtlen hatásoknál a következő két hatáskombináció használható. Csak egyetlen ideiglenes hatásnál:

egyéb esetekben

A használhatósági határállapothoz tartozó tervezési érték az EC5 szerint a következő:

ahol Xd tervezési érték az építőanyagtulajdonság tervezési értéke (az alábbi összefüggéssel az Xk karakterisztikus értékből számítható)

ahol

Anyagtulajdonság biztonsági tényezője (értékeit a 3. táblázat tartalmazza)

anyagtulajdonságok mod tényezője (EC5 szerinti értékeit a 4. táblázat tartalmazza)

A környezeti hatások osztályai

  1. környezeti osztály: jellemzője a faanyag nedvességtartalma 20 °C hőmérsékleten, ha a környező levegő relatív páratartalma évenként csak néhány hétig haladja meg a 65%-os értéket.

  2. környezeti osztály: jellemzője a faanyag nedvességtartalma 20 °C hőmérsékleten, ha a környező levegő relativ páratartalma évenként csak néhány hétig haladja meg a 85%-os értéket.

  3. környezeti osztály: a környezeti feltételek nagyobb nedvességtartalmat eredményeznek, mint a 2. környezeti osztály esetén 1).

A környezeti hatások és a teheridőtartamok módosítótényezői

Ha a teherkombinációt olyan hatások eredményezik, amelyek a teheridőtartamok különböző osztályaihoz tartoznak, akkor a hatás k^ módositótényezőjét a legrövidebb időtartam alapján kell kiválasztani. Például állandó és rövid időtartamú terhek kombinációjához a k,^ tényezőt a rövid időtartamú teher alapján kell alkalmazni.

Végül az összefüggést az ellenállás és a feszültég (f), merevség (E), geometria (a) között írjuk fel:

Az Rd ellenállás dierkt módon az Rk karakterisztikus érték segítségével a kísérletekből is megállapítható:

Itt azonban kmod megválasztása komoly nehézségekbe ütközhet, amennyiben a szerkezet különböző építőanyagokból áll (fa, faalapú építőanyag, acél). A legalacsonyabb érték választása azonban a biztonság javára történik.

A geometria tervezési értéke általában a karakterisztikus érték maga. Néhány esetben az alábbi összefüggés érvényes:

ahol

az EC5 függelékében meghatározott érték.

Tartószerkezeteket érő hatások

Egy épület megtervezésénél a statikus először a szerkezeti vázat alkotja meg. Ez elsősorban az anyagok megválasztásától és a építési rendszertől függ. Ezután kezdődik a méretezés a hatásokból ébredő igénybevételek meghatározásával. A hatások keletkezhetnek direkt (külső erők) és indirekt (nedvességtartalom-változás miatt) módon. Az építőanyagtól függetlenül a szerkezet élettartama alatt fellépő igénybevételeket meg kell határozni. Ezek függnek a szerkezet formájától és rendeltetésétől. Azért, hogy a szerkezetet megfelelően méretezhessük az igénybevételeknek a fajtáját és azok következményeit is figyelembe kell venni. A szerkezetet érő hatások lehetnek statikusak vagy dinamikusak. Így kvázi statikus teherfelvétel nem megengedhető az alábbi esetekben:

  1. födémek, melyeket gépek, vagy emberek rezgésbe hozhatnak,

  2. lemezszerű szerkezetek, mint a függőhidak pályaszerkezetei, melyeket a szél belengethet,

  3. szerkezetek, melyeket egy esetleges földrengés okozta igénybevétel jelentősen megterhelhet,

Ilyen esetekben dinamikus vizsgálatot is szükséges végezni azért, hogy az idő függvényében változó erőhatásokat meghatározhassuk, a merevség, a tömeg és a csillapítási tényezőjének figyelembevételével. A legtöbb tartószerkezetnél az igénybevételekből származó rezonancia mértéke csekély. Ezért a statikus terheket általában egy meghatározott dinamikus szorzóval felszorozzák.

Általános koncepció

A tartószerkezetek csoportosítása

Az EC méretezése főként a régi méretezési módszerekhez alkalmazkodik. Ennek ellenére meg kell említenünk, hogy az EC1 biztonsági elgondolása mit takar. A megkövetelt biztonság és felhasználhatóság meghatározza a szerkezet élettartamát, miközben figyelembe veszi az emberi és a gazdasági javak veszélyeztetettségét.

Tervezési élettartamok

Az EC teherbírási és használhatósági határállapotokat is definiál. A tervezési állapotok tartósak, ideiglenesek, valamint rendkívüliek egyaránt lehetnek. Az időtől függő, egymásra halmozódó jellegű hatások esetén a határállapotok vizsgálatakor a tervezési élettartamot is figyelembe kell venni.

A tervezési állapotok osztályozása:

  1. tartós tervezési állapotok a szokásos használat körülményeit definiálják,

  2. ideiglenes tervezési állapotok a tartószerkezet rövid ideig tartó használatát (pl.: megvalósítás, javítás) jelentik,

  3. rendkívüli tervezési állapotok a tartószerkezetekre ható nem megszokott károsodások (tűzhatás, robbanás) körülményeit írják le

A hatások csoportosítása

A fentieken túlmenően a hatásokat a tér és idő változásaiban is meg kell egymástól különböztetni. Így a hatások a következők szerint lehetnek definiálva:

  1. állandó terhek (pl.: önsúly)

  2. ideiglenes terhek (pl.: hasznos teher, szélteher, hóteher)

Az állandó terhek nagysága alig változik az idő folyamán. Az ideiglenes terhelés lehet diszkrét lefutású (hó, szél) vagy egy olyan folyamat, amely származhat állandó (QL), illetve rövididejű terhelésből (QT) (pl.: mozgó terhek) is. A fa esetében, aminek a szilárdsága jobban függ az időtől, mint más anyagoké, az időtényezőt különösen figyelembe kell venni. Ezért az EC5 előírja, hogy faszerkezetek méretezésekor a terhelés időtartamát kiemelten kell kezelni. Ehhez a statikusnak az ideiglenes terheket a megadott osztályokba be kell sorolnia. A térbeli változékonyságot illetően vannak meghatározott helyű és esetleges hatások, melyek támadáspontja változhat. Az ilyen hatásokat úgy kell figyelembe venni, hogy a hatáskombinációk közül a legkedvezőtlenebb esetet vegyük mértékadónak.

A hatások reprezentatív értékei

A hatások alapértéke a karakterisztikus (szerkezetre jellemző) érték, melyet GK-val, vagy QK-val jelölnek. Rendszerint az állandó terhek GK névleges értékeinek felelnek meg. Amennyiben az építőanyag érzékenyen reagál a G változásaira, vagy a G megváltozási tényezője (COV) 10%-nál nagyobb, két karakterisztikus értékkel kell számolni: az alacsonyabb értékű GK,inf –vel és a magasabb értékű GK,sup -vel. Gauss eloszlást feltételezve ezek az alábbi értékeket adják:

A szerkezetre jellemző ideiglenes hatások N évenként ismétlődnek, ami meghatározza a p=1/N értékét. Ez adja meg az évenkénti túlterhelés valószínűségét. Az EC1 alapján a hatásokat N=50 évre, vagy p=0,02-re definiálják. Más túlterhelési valószínűségekre, amikor pN>0,2, a karakterisztikus értéket (QN) az alábbi összefüggéssel lehet meghatározni:

COV: a Q variációs együtthatója.

A fenti összefüggés, amennyiben az országos rendelkezések megengedik, a következő ideiglenes hatások jellemző értékeinek meghatározására alkalmazható:

Olyan értékek, amelyek 50 évben legfeljebb egyszer lépnek fel (szél, hó),

Olyan szerkezet méretezésénél, amelynek rizikófaktora elfogadottan magasabb, vagy éppen fordítva, amelynek biztonsági tényezője sokkal nagyobb.

Ezen túlmenően a statikusnak más reprezentatív értékeket is figyelembe kell vennie az ideiglenes hatások vizsgálatánál:

Kombinációs érték (\|/0 Qk),

Gyakorisági érték (\|/1 Qk), amely 5%-os előfordulási értékkel rendelkezik.

Kvázi állandó érték (y\r2Qk)

A gyakorlatban a szabályban szereplő Gk, Qk, (\|/0 Qk) és (\|/1 Qk) értékek a teherbírási határállapot felülvizsgálatához szükségesek. A használhatósági határállapotoknál ezek az értékek csak rövid ideig tartó alakváltozások meghatározására alkalmazhatók. A hosszantartó hatásokat (kúszás) a teheroldali Gk és (\|/2 Qk), valamint az anyagoldali deformációs tényező (kdef) figyelembe vételével határozzuk meg.

Állandó terhek

Az állandó terhek a szerkezet önsúlyából és valamennyi összetevő súlyából állnak, melyeket az épületrészek (válaszfal, hőszigetelés, vakolat, burkolat) állandóan felvesznek. Ahhoz hogy meg tudjuk határozni az állandó terheket, ismernünk kell a szerkezet geometriáját és anyagát. Az állandó terhek az összetevők méretéből és anyagának átlagsűrűségéből kerülnek meghatározásra. Sok építőanyagnál a statikusnak az egyes súlyok kérdésében a termékleírásra kell hagyatkoznia. Hogy a súlyszámítást leegyszerűsítsük, az alátámasztások önsúlyát egyenletesen megoszló terhelésként vehetjük figyelembe. Korábbi hasonló teherszámítások értékei más hasonló épületek méretezésénél is felhasználhatók. A födémek önsúlya a megszokott módon is meghatározható a g = (15+/)/100 kN/m2 összefüggéssel, ahol l a szerkezetrész fesztávja méterben kifejezve. A válaszfal m2-enkénti súlyának (P) függvényében egyenletesen megoszló 0,75 P/m2 terhelésként kezelhető a fal. Ez a megállapítás 4 méternél nem magasabb válaszfalakra alkalmazható addig, amíg P<1,0 kN/m2 és a mozgó terhelés 40%-ánál kevesebbet tesz ki.

Tartósság

Megfelelően tartós szerkezet létrehozása érdekében a következő, egymással is összefüggő tényezőket kell figyelembe venni:

  1. a tartószerkezet használati módját;

  2. a tartószerkezettől elvárt teljesítőképességet;

  3. a várható környezeti hatásokat;

  4. az anyagok összetételét, jellemzőit és viselkedését;

  5. a tartószerkezeti elemek alakját és a szerkezeti részleteket;

  6. a megvalósítás és a minőség-ellenőrzés színvonalát;

  7. a különleges védelmi intézkedéseket;

  8. az előirányzott élettartam során várható fenntartást.

A tervezés időszakában fel kell mérni a környezeti feltételeket, hogy a tartóssággal kapcsolatos jelentőségüket meg lehessen ítélni, és az anyagok védelmére megfelelő intézkedéseket lehessen tenni.

Ellenállás a biológiai károsítókkal szemben

A fa és a faalapú anyagok természetes tartóssága az EN 350-2-vel összhangban vagy legyen megfelelő a mindenkori veszélyeztetettségi osztálynak (lásd: EN 335-1, EN 335-2 és prEN 335-3), vagy a prEN 351-1, illetve prEN 460 előírásainak megfelelő megelőző védőkezelésben kell részesíteni azokat.

Ellenállás a korróziós hatásokkal szemben

A fém kapcsolóelemeket és a többi szerkezeti kapcsoiószerelvényt korrózióálló anyagból kell készíteni vagy korrózió elleni védelemmel kell ellátni, ahol az alkalmazás miatt erre szükség van. A korrózió elleni minimális védelemre, illetve a különböző környezeti osztályokhoz (lásd a 3.1.5. szakaszt) előírt anyagokra a 2.4.3. táblázatban találhatók példák.

Példák a kapcsolóelemek anyagára és a korrózió elleni minimális védelemre (az ISO 2081-nek megfelelően)*

Anyagjellemzők

Szilárdsági és merevségi tulajdonságok

A szilárdsági és merevségi jellemzőket kísérletek alapján kell meghatározni azoknak a hatások- nak megfelelően, amelyeknek a szerkezetben az anyag ki van téve, vagy hasonló fafajokkal vagy faalapú anyagokkal való összehasonlítás, illetve a különböző tulajdonságok ismert összefüggései alapján.

Ki kell mutatni, hogy a mérettartás és a környezeti hatásokhoz való alkalmazkodás megfelel a létesítési céloknak.

Karakterisztikus értékek

A szilárdság karakterisztikus értéke az alaphalmaz 5%-os kvantilise. Ezeket az értékeket kísérleti eredményekből határozzák meg 300 s időtartamú hatásvizsgálattal, 20 °C-on, 65% relatív légnedvességhez tartozó egyensúlyi nedvességtartalmú próbatestekkel.

A merevség karakterisztikus értéke vagy a vizsgálati alaphalmaz 5%-os kvantilise, vagy az átlag- értéke, amelyet a P(1) bekezdés szerint határoznak meg.

A testsűrűség karakterisztikus értéke az alaphalmaz 5%-os kvantilise, amelyet tömeg- és térfo- gatméréssel határoznak meg 20 °C-on, 65% relatív légnedvességhez tartozó egyensúlyi faned-vességi állapotban.

Kapcsolat a feszültség-alakváltozás között

A karakterisztikus értékek a törés eléréséig a feszültség és az alakváltozás közötti lineáris össze- függés feltételezésével határozhatók meg, ezért a szerkezeti elemek szilárdsági ellenőrzését is ilyen lineáris összefüggések alapján kell elvégezni. Egyidejűleg hajlításnak és nyomásnak kitett szerkezeti elemek esetén nemlineáris (rugalmas-képlékeny) összefüggést szabad használni

Természetes szerkezeti faanyag

A szerkezeti fát szilárdsági szempontok alapján osztályozni kell annak érdekében, hogy a faanyag tulajdonságai, különösen a szilárdsági és a merevségi jellemzői biztonságosan feleljenek meg a felhasználási céloknak.

Az osztályozási szabályokat a faanyag szemrevételezéses értékelésére, több tulajdonság roncsolásmentes mérésére, illetve a két módszer kombinációjára kell alapozni.

A faanyag szemrevételezéses szilárdsági osztályozásának alapvető követelményeit a prEN 518 tartalmazza.

A géppel osztályozott faanyagra és az osztályozógépekre vonatkozó követelmények a prEN 519 szerint.

A szilárdság, a merevség és a sűrűség karakterisztikus értékei

A szilárdság, a merevség, valamint a térfogatsűrűség karakterisztikus értékeit a prEN 384 szerin- ti módszerekkel kell meghatározni.

A szilárdsági jellemzők karakterisztikus értékei hajlítás esetén 150 mm magasságra, rostirányú húzás esetén pedig ugyanilyen szélességre vonatkoznak. A rostra merőleges húzószilárdság 45 mm x 180 mm x 70 mm méretű próbatestre, a nyírószilárdság pedig 0,0005 m3 térfogatú, egyenletes igénybevételű testre vonatkozik. 4) A szilárdsági osztályok rendszerét a prEN 384 tartalmazza.

Az fmk hajlító- és az ft,o,k húzószilárdság karakterisztikus értékét megnövelhetjük a fch tényezővel 150 mm-nél kisebb magasság, illetve szélesség esetén a prEN 338 és a prEN 384 szerint.

A szerkezeti fa méreteiA teherhordó szerkezeti elemek hatásos keresztmetszetét és geometriai jellemzőit a névleges méretekből kell számítani, feltéve, hogy a keresztmetszet méretének12' eltérése a névlegestől a prEN 336 szerinti 1. tűrési osztály határain belül van.

A keresztmetszet csökkenését figyelembe kell venni, kivéve, ha a csökkenést a következők okozzák:

  1. előfúrás nélküli, 6 mm-nél kisebb átmérőjű szeglyukak;

  2. nyomott rudak szimmetrikus elrendezésű csavar-, tüske- és szegfuratai;

  3. a szerkezeti elem nyomott oldalán lévő furatok, ha a furatokat olyan anyag tölti ki, amelynek merevsége a faanyagénál nagyobb.

Több kapcsolóelemet tartalmazó kapcsolat esetén a hatásos keresztmetszet meghatározásakor figyelembe kell venni az adott keresztmetszettől rostokkal párhuzamos irányban mért legkisebb osztásköz féltávolságán belül levő összes üreget.

A rétegelt-ragasztott fa méretei

A rétegelt-ragasztott szerkezeti elemek hatásos keresztmetszetét és geometriai jellemzőit a név- leges méretekből kell számitani, feltéve, hogy a keresztmetszet méretének135 eltérése a névlegestől a prEN 390 szerinti határokon belül van.

A keresztmetszet csökkenését figyelembe kell venni, kivéve, ha a csökkenést a következők okozzák:

  1. előfúrás nélküli, 6 mm-nél kisebb átmérőjű szeglyukak;

  2. nyomott rudak szimmetrikus elrendezésű csavar-, tüske- és szegfuratai;

  3. a szerkezeti elem nyomott oldalán lévő furatok, ha a furatokat olyan anyag tölti ki, melynek merevsége a faanyagénál nagyobb.

Több kapcsolóelemet tartalmazó kapcsolat esetén a hatásos keresztmetszet meghatározásakor figyelembe kell venni az adott keresztmetszettől rostokkal párhuzamos irányban mért legkisebb osztásköz féltávolságán belül levő összes üreget.

Faalapú anyagok

Rétegelt falemez

Faforgács lap

Farostlemez

A rétegelt falemezt úgy kell gyártani, hogy a termék megőrizze a szilárdságát és épségét az elő- irányzott környezeti osztálynak megfelelően a tartószerkezet várható élettartama alatt.

Ragasztóanyagok

A szerkezeti célokra felhasznált ragasztóanyagokkal olyan szilárdságú és tartósságú kapcsolatokat kell létrehozni, amelyek megtartják a ragasztott kapcsolat teljes épségét az előirányzott környezeti osztálynak megfelelően a szerkezet várható élettartama alatt.

A lehajlások határértékei

Gerendák

A lehajlás összetevőit az alábbi ábra alapján értelmezzük, ahol u0 túlemelés (ha van ilyen), u1 az állandó terhek okozta lehajlás, u2 az esetleges terhek okozta lehajlás

Az unet teljes lehajlás a támaszokat összekötő egyenesre vonatkozik, értéke: Unet = U1 + U2-U0.

Rácsos tartók esetén a tömör gerendák Iehajlási határértékei érvényesek az egész támaszközre és a csomópontok közötti rudakra egyaránt.

Lengések

Gondoskodni kell arról, hogy a várhatóan gyakran előforduló hatások ne okozzanak olyan lengé- seket, amelyek akadályozzák a szerkezet rendeltetésszerű használatát, és ne okozzanak a használóknak elfogadhatatlan kényelmetlenségeket.

A födém lengéseit mérésekkel vagy számítással becsüljük meg, figyelembe véve a födém merevségét és a csillapítás mértékét.

A számításokban a megfelelő merevségi tényezők középértékét kell alkalmazni.