raziskave in razvoj UDK: 630*824.7:694 pregledni znanstveni ~lanek (A Review) Leseni lepljeni lamelirani konstrukcijski elementi Glued laminated timber construction elements avtorji: Manja KITEK KUZMAN, Jasna HROVATIN, Biotehni{ka fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Ro`na dolina C. VIII/34, SI-1000 Ljubljana, Jo`e KU[AR, Fakulteta za arhitekturo, Zoisova 12, 1000 Ljubljana Lameliran lepljen les je sodobno kom-pozitno gradivo, ki ga sestavljajo tanke lamele, pri katerih je potek vlaken v glavnem vzporeden. V ~lanku so obravnavane tipi~ne oblike in velikosti lesenih lepljenih lameliranih konstrukcijskih elementov in stati~nih sistemov. Opisana je najpogostej{a uporaba lesenih lepljenih konstrukcijskih elementov in izdelana analiza njegovih prednosti ter proizvodnje in uporabe v Sloveniji in drugih dr`avah EU. Sku{ali bomo nakazati mo`-nosti ve~je uporabe lesenih lepljenih konstrukcij v na{em okolju. Structural glued- laminated timber (glu-elam) is an engineered, stress-rated product that consist of two or more layers of lumber that are glued together with the grain of all layers, which are referred to as laminations, parallel to the length. The article discusses common glued laminated timber elements application. In addition elements manufacturing and use in Slovenia and EU are analyzed. The aim of the presented study is to indicate possibility of higher use of glued laminated timber in Slovenia. Klju~ne besede: konstrukcija, lepljen lameliran les, konstrukcijski elementi, kompozit Key words: structure, glued laminated timber, structure elements, composite 1. Uvod Les je eden najstarej{ih gradbenih materialov, ki ima v moderni arhitekturi in gradbeni{tvu pomembno vlogo. Lesene konstrukcije so vse vrste lesenih konstrukcij iz masivnega lesa in lame-liranega lesa, kjer je spajanje posameznih konstrukcijskih elementov izvedeno z veznimi sredstvi. Mednje spadajo: enostavni in sestavljeni nosilci, stebri, okvirji, razli~na ve{ala, pali~ni nosilci in paneli, ki so lahko sestavljeni iz elementov iz masivnega lesa, lamelira-nega lesa in industrijsko izdelanih lesnih plo{~ (Saje, 1997). `agar (1999) deli lesene konstrukcije na klasi~ne, tesarske in sodobne lesene konstrukcije. Moderne lesene konstrukcije so ponavadi prostorske po svojem delovanju, pri njih se uporabljajo sodobna spojna sredstva in lepljen les, ve~slojne furnirske plo{~e in drugi kompozitni materiali. V ~lanku bomo obravnavali lesene lepljene lamelirane konstrukcije (LLLK), ki so s svojimi izjemnimi teh-ni~nimi zmo`nostmi - visoka trdnost pri majhni lastni te`i in gospodarnosti - vplivale na vsestransko uporabo lesa. Skrbna izbira lesa in ustreznih lepil, pravilno su{enje in temeljita povr{in-ska za{~ita skoraj izni~ijo naravne slabosti lesa, kot so pokanje, kr~enje, zvi- janje itd. Na `alost pa so LLLK premalo uporabljene v na{em okolju kljub dobrim gradbenim lastnostim lesa, kljub temu da je les obnovljiv material in da je Slovenija bogata z gozdom in ima tradicijo na tem podro~ju. V nadaljevanju bo podrobneje obravnavan lameliran lepljen les. Opisane bodo tipi~ne oblike in velikosti lepljenih konstrukcijskih elementov, podane bodo prednosti in pomanjkljivosti lepljenega lameliranega lesa ter izdelana analiza njegove proizvodnje in uporabe v Sloveniji in drugih dr`avah EU. Nakazane bodo mo`nosti ve~je uporabe lesenih lepljenih elementov v procesu arhitekturnega na~rtovanja. 2. Lameliran lepljen les laminated timber (angl), BS-Holz (nem), bois lamellé collé (fr) Lameliran lepljen les je sodobno kom-pozitno gradivo, ki ga sestavljajo tanke lamele, pri katerih je potek vlaken v glavnem vzporeden. Lamele so ploskovno zlepljene z lepili za konstrukcijsko uporabo, ki imajo visoko trdnost in trajnost, so odporna proti vodi, povi-{ani vla`nosti in temperaturi ter bio-lo{kim dejavnikom. Tako sestavljeno gradivo ima bolj enakomerne in bolj{e ijaLeS 58(2006) 4 raziskave in razvoj mehanske lastnosti kot les. V literaturi najdemo lameliran lepljen les tudi pod drugimi imeni: laminated wood, glued laminated timber, gluelam, gluelam beam, classic gluelam. Na tr`i{~u najdemo razli~ne proizvajalce: NORDIC LAMÔ, Goodlam, Binder, Structur-lam, Carboglulam® itd. Leseni lepljeni lamelirani konstrukcijski elementi (LLLKE) so industrijski gradbeni elementi, za katere je zna~il-na velika stopnja prefabrikacije. So med najla`jimi konstrukcijskimi materiali, poleg tega pa se lahko zaradi svojih dobrih elastomehanskih lastnosti uporabljajo kot samostojni nosilci ali za ravninske in prostorske konstrukcije velikih razponov. 3. Dimenzije in oblike Lesenih lepljenih laminiranih konstrukcijskih elementov (lllke) in stati~nih sistemov Dimenzije nosilnih gradbenih elementov so odvisne od: stati~nega sistema konstrukcije (sl. 1), nosilnosti gradiva (pregl. 1), tehnologije proizvodnje in vgraditve ter pri~akovanega u~inka arhitektonske kompozicije zgradbe (Ku{ar, 1999). Z uporabo LLLKE lahko sestavimo konstrukcije razli~nih oblik. Omogo-~ajo prakti~no neomejeno izbiro dimenzij pre~nih prerezov elementov, pokrivanje velikih povr{in, velike razpone in lahko, enostavno prilagajanje sodobnim arhitektonskim zahtevam. Slika 1 prikazuje nekaj informativnih podatkov za lesene lepljene nosilce pri najve~jih razpetinah. Nosilne sisteme lahko delimo v skupine: nosilci, tro~lenski loki, okvirji, ukrivljeni nosilci, konzole, vise~i sistemi. Razvr{~eni so glede na prevladujo-~e obremenitve (sl. 2): npr. pali~je -osna obremenitev, nosilci - upogibna Slika 1. Lepljeni leseni nosilci za velike razpetine (Berdajs, `itnik et al., 2004, str. 214) Slika 2. Skupine nosilnih sistemov (Winter, 2004, str. 4) ijaLeS 58(2006) 4 raziskave in razvoj Slika 3. Razli~ni pre~ni prerezi stebrov in nosilcev iz lepljenega lesa (Pro:Holz Austria, 2002, str. 84) Slika 4. Najpogostej{e uporabljene oblike pre~nih prerezov (Müller , 2000, str. 32) Slika 5a. Prilagajanje geometrije prereza poteku napetosti Slika 5b. Prilagajanje kvalitete materiala poteku napetosti - Sestava prereza (Wallner, 2003, str. 3) Slika 6. Prilagajanje oblike prereza in kvalitete materiala glede na potek upogibnih napetosti (Wallner, 2003, str. 4) obremenitev. Med prostorske konstrukcije pri{tevamo: kupole, prostorske okvirne konstrukcije, prostorsko pali~je, brane, lupine itd. 4. Pre~ni prerez nosilcev Izbor razli~nih vrst pre~nih prerezov se je pove~al z razvojem lepil, ki so vedno bolj obstojna in odporna proti ognju. Pre~ni prerezi so sestavljeni iz lamel, ki so med seboj zlepljene. Tako lahko dobimo najrazli~nej{e prereze (sl. 3): nosilce s konstantno vi{ino, nosilce s spreminjajo~o se vi{ino, zakrivljene nosilce itd. Najpogostej{i so: pravokotni prerez, prerez »I« oblike in sestavljeni {katlasti prerez (sl. 4). Prilagajanje geometrije prereza poteku napetosti temelji na principu, da je treba kar najve~ materiala namestiti tam, kjer najve~ doprinese k nosilnosti t.j. na robove, kjer so najve~je napetosti. Primer nosilca iz lameliranega lepljenega lesa: na robove – obi~ajno v zunanji {estini vi{ine (sl. 5a in 5b) pri lepljenju namestimo bolj{i material z vi{jo trdnostjo, v sredico pa slab{ega in tako prilagajamo kvaliteto materiala glede na razpored napetosti po prerezu (Wallner, 2003). Poraba lesa in upogibnih nosilnosti je odvisna od izbranega materiala in izbrane oblike prereza (sl. 6). Primerjava kombinacije prilagajanja geometrije in trdnosti lesenega prereza pove, kako prihraniti material v primerjavi z nosilnostjo. 5. Najpogosteje uporabljeni tipi lesenih lepljenih lameliranih konstrukcijskih elementov (LLLKE) Razlikujemo ve~ vrst LLLKE: enostranski po{evni nosilec, dvostransko po{evni nosilec, ukrivljeni nosilec s ijaLeS 58(2006) 4 raziskave in razvoj konstantno vi{ino, ukrivljeni nosilec s spremenljivo vi{ino, nosilci na ve~ podporah, kontinuirni nosilci, dvote~ajni ali trote~ajni lomljeni okvir, dvo- ali tro~lenski lo~ni okvir itd. (sl. 7). V literaturi so nosilci z ukrivljenim spodnjim robom in ostrim prelomom zgornjega ravnega robu v temenu ozna~eni tudi kot nosilci s spremenljivo vi{ino prereza - sedlasti nosilci, medtem ko so nosilci z zaobljenim temenom ozna-~eni kot nosilci s konstantno vi{ino prereza (Blatnik, 1993). 6. Prednosti in pomanjkljivostI lesenih lepljenih lameliranih konstrukcijskih elementov Leseni lameliran lepljeni elementi omo-go~ajo fleksibilnost pri konstruiranju razli~nih oblik in dimenzij. Imajo estetski videz in ohranjajo eleganco pri ve~jih razponih, saj se preseki nosilcev zaradi majhne te`e ne pove~ujejo tako kot pri armiranem betonu. Mo`ne so izvedbe razli~nih krivin in oblik ukrivljenih LLLKE. Za stre{ne konstrukcije se uporabljajo predvsem, kadar so zahtevani veliki razponi in posebne oblike. 6.1. Gospodarnost Gospodarnost lesenih lepljenih konstrukcij je predvsem v predizdelavi elementov. Industrijska izdelava omo-go~a hitro, lahko in enostavno izdelavo, neodvisno od vremenskih vplivov. To -varni{ka serijska proizvodnja LLLKE zagotavlja gradnjo z minimalnim {te-vilom napak in ob~utno zmanj{anje dejavnikov tveganja, kar poceni in po-spe{i gradnjo objekta. 6.2. Mehanske lastnosti Smernice za projektiranje lesenih konstrukcij so podane v SIST EN 1995 1-1 (Eurokod 5- Projektiranje lesenih konstrukcij), na~in preizku{anja nosil- nosti pa v SIST EN 408 (Ugotavljanje mehanskih lastnosti). Sprejet je evropski standard za lepljen les (EN 14080). Lepljen les je razvr{~en v 4 trdnostne razrede. Homogen lepljeni les ozna~u-jemo z GL 24h - GL 36h, kombiniran pa z GL 24c - GL 36c. [tevilka zraven oznake GL (glued laminated) pomeni karakteristi~no upogibno trdnost v Mpa (Srp~i~, 2005)(pregl. 1). Leseni lamelirani lepljeni elementi imajo dobre trdnostne lastnosti v primerjavi z drugimi materiali ter visoko nosilnost glede na prostorninsko maso. So lahki gradbeni elementi, saj pri istem volumnu dose`ejo le 20 % te`e Preglednica 1. SIST EN 1194: Karakteristi~ne trdnosti (f), elasti~ni (E) in stri`ni (G) modul v N/mm2, ter specifi~na te`a (ϕ) v kg/m3 GL 24h GL 28h GL 32h GL 36h Karakteristi~na upogibna trdnost [ N/mm2] 24 28 32 36 Karakteristi~na natezna trdnost [ N/mm2] 16,50,4 19,50,45 22,50,5 260,6 Karakteristi~na tla~na trdnost [ N/mm2] 242,7 26,53,0 293,3 313,6 Karakteristi~na stri`na trdnost [ N/mm2] 2,7 3,2 3,8 4,3 Povpre~en modul elasti~nosti [ N/mm2] 11 14 70011 900490 6009 40039012 60010 20042013 70011 100460 Povpre~en stri`ni modul [ N/mm2] 720 780 850 910 Karakteristi~na gostota [ kg/m3] 380 410 430 450 Preglednica 2. Osnovne dovoljene napetosti za lepljene lamelirane konstrukcije v N/cm2 (Berdajs, 2004, str. 257) VRSTA NAPETOSTI Lepljen les Jelka, smreka, bor Lepljen les Hrast , bukev I II I II Upogib σmd 1400 1100 1620 1370 Nateg σtIId 1050 850 1800 1080 Tlak σcIId 1100 850 1500 1200 Tlak pravokotno na vlakna σ 200 200 490 430 Strig i... 90 90 150 150 Strig zaradi pre~ne sile τ mIId 120 120 130 110 ijaLeS 58(2006) 4 raziskave in razvoj Slika 8. Primerjava gostote, upogibne trdnosti in cene na kubi~ni meter lepljenega lesa z masivnim lesom (Milonig, 2003, str. 49) 1400 E i 1200 1000 800 >D925 JD-------- 1090 1133 1029 1 600 SVl9 T=To+ 345log(420t+1) S T - dejanska temperatura ! 400 - To - začetna temperatura t - cas vurah i- 200 0< ) 0 1 2 3 4 5 6 7 č as gorenja (h) [tevilo minut [ min] °C 10 659 15 718 30 827 60 925 1 h 30 min 986 2 h 1030 3 h 1090 4 h 1133 6 h 1194 Slika 9. Standardna po`arna krivulja za gorenje lesa (EVROCODE 1, /8/) `elezobetonskih. LLLKE imajo ve~jo trdnost in togost kot masiven les. V primerjavi z masivnim lesom ima lameliran lepljen les ve~ prednosti: dimenzijsko stabilnost, mo`nosti razli~nih izvedb pre~nega prereza in ve~je dimenzije, kot jih dopu{~a `agan les (Russell C. Moody, 2004). Poleg tega ima lameliran lepljen les visoko nosilnost glede na te`o (pregl. 2, sl. 8). Je dimenzijsko bolj obstojen in ima manj{e torzijske deformacije kot masivni les. Pri su{enju skoraj ni razpok. Velika prednost lameliranih lepljenih nosilcev pred masivnim lesom je mo`-nost oblikovanja vzdol`ne osi nosilca. ^e primerjamo odpadek pri masivnem lesu in lepljenem lesu, vidimo, da je koli~ina odpadka odvisna od konstrukcije. [ir{i je nosilec, bolj{i je izkoristek. Pribli`na ocena porabe je okoli 1,5 m³ lesne mase za netto 1 m³ nosilca. 6.3. Po`arna odpornost Lesene lepljene lamelirane konstrukcije imajo bistveno ve~jo po`arno odpornost, kot jim na splo{no pripisujemo, in presegajo pri tem jeklo in armirani beton. Razlog za dobro odpornost proti ognju LLLKE je v njihovi slabi prevodnosti toplote. Sposobnost lesa za prevajanje toplote je zelo majhna, toploto prevajajo 300 - do 400 - krat po~asneje kot jeklo. Elementi zogle-nijo po~asi s povr{ine proti notranjosti. Ustvarjena zoglenelost zmanj{uje pre- vajanje toplote in onemogo~a pristop kisika do lesa. Nosilci ohranijo v ne-zoglenelem preseku polno nosilnost. V normalno potekajo~em po`aru masivni smrekov les gori s hitrostijo 0,6 do 1,1 mm/min, lepljen les pa 0,1 mm/ min (Zba{nik Senega~nik, 2001). LLLKE med gorenjem ne spreminjajo oblike. Zato nosilci ne povzro~ajo pritiska na obodne stene in ne povzro-~ajo njihove poru{itve. Lesena konstrukcija je lahko tudi po-`arno odporna. ^e `elimo dose~i po-`arno odpornost, lahko: izdelek ustrezno dimenzioniramo, lahko ga oblo-`imo s protipo`arnimi oblogami ali za{~itimo s kemi~nimi sredstvi, kjer moramo upo{tevati dejanski namen za{~ite ter izbrati primeren pripravek (Rep, 2005). Slika 9 prikazuje standardno po`arno krivuljo za gorenje lesa skladno z EC 1 - les [ 41] , kjer vidimo, da v 10 minutah gorenja les dose`e temperaturo 700 stopinj, nakar se temperatura bistveno po~asneje pove~uje. 6.4. Cena in trajnost Cena osnovnega proizvoda LLLKE je okoli 2,5-krat ve~ja (Haiman, 2005) v primerjavi z masivnim lesom. Vendar pa na kon~no ceno izdelka vpliva tudi niz drugih faktorjev, kot so: planiranje gradnje, hitrost izvedbe, enostavnost transporta in monta`e, spojna sredstva, kvaliteta proizvoda, ki je v tovarni narejen v skladu z najnovej{imi znanji in pravili stroke, kar se ka`e v veliki trajnosti objekta. Cena zakrivljenih nosilcev je odvisna od radija zakrivljenosti, od preseka nosilca in od {tevila izdelanih konstrukcijskih elementov. Cena raste sorazmerno z ve~jo debelino lamele in manj{im radijem. Ve~ji je radij, bolj se cena pribli`uje ceni ravnih nosilcev. Trajnost lesenih konstrukcij je danes ocenjena na ve~ kot 100 let v povpre~- ijaLeS 58(2006) 4 raziskave in razvoj no spremenljivih zunanjih pogojih (Pihlajavaara, 1980), poleg tega pa mora biti zagotovljena pravilna izvedba detajlov in ustrezna za{~ita. Haiman (2005) ugotavlja v prispevku Zakaj lepljene lamelirane lesene konstrukcije?, da je gradnja konstrukcij z LLE na koncu od 15 do 20 % cenej{a kot ista armiranobetonska ali jeklena izvedba. 6.5 Ekologija Z okoljevarstvenega vidika je pomemben faktor razgradljivost materiala in mo`nost recikliranja lesenih lameli-ranih lepljenih konstrukcijskih elementov. Za obe lastnosti ni bistvenih razlik med LLKE in masivnim lesom. Do razlike pa pride pri oceni porabe materiala in energije ter uporabi lepila. Iz preglednice 3 je razvidno, da je za proizvodnjo LLKE potrebne pribli`no {e enkrat ve~ energije kot za primerljiv konstrukcijski element iz masivnega lesa. Lepilo je bistvenega pomena za nosilnost LLK. Zaradi vsebnosti formaldehida lepilo {kodljivo deluje na vse, ki imajo opraviti z njim, in `e sam po sebi obremenjuje okolje. Vendar pa je dele` lepila v celotnem volumnu konstrukcije samo okoli 1 % (Burgbacher, 1991), tako da ekolo{ke prednosti lepljenih lameliranih konstrukcij niso bistveno manj{e od konstrukcij iz masivnega lesa, sploh pa, ~e upo{teva-mo skoraj neizbe`no uporabo kovinskih spojnih sredstev. 7. Uporaba Lepljen les je nepogre{ljiv pri konstrukcijah, kjer je potrebna ve~ja trdnost, dimenzijska stabilnost in ustrezen estetski videz lesnega proizvoda. Po podatkih CNDB (2002) se najve~ lepljenega lesa v EU porabi za izgradnjo nestanovanjskih stavb, kamor spadajo: trgovski objekti, objekti za {port in prosti ~as, sledijo jim industrijske Preglednica 3. Poraba materiala in energije za lepljen les in konstrukcijski masivni les (Frühwald, 2005, /11/) LEPLJEN LES KONSTRUKCIJSKI MASIVEN LES Material [ kg/m3] les voda olje lak-politura plasti~ne mase kovina lepilo 592 467 0,2 0,7 0,2 22 14 les voda olje lepilo plasti~ne mase 592 423 0,3 0,4 0,2 Skupaj 1.096 Skupaj 953 Energija [ KWh/m3] elektri~na energija 391 elektri~na energija 241 pogonsko gorivo 273 pogonsko gorivo 216 les 518 les 220 kurilno olje 36 kurilno olje 11 Skupaj 1.218 Skupaj 658 ZdravS.vo0s,alO