CLADIRILE EFICIENTE DIN LEMN – OPORTUNITATE ACTUALA
Data: 16-30 noiembrie 2006
Eficienta noilor cladiri consta in economie de lemn, energie si timp de executie. Conceptia moderna a noilor cladiri conduce la o utilizare rationala a lemnului la elementele structurale si nestructurale. Economia de lemn este prioritara datorita faptului ca regenerarea acestui material se realizeaza intr-o perioada mai mare. Economia de energie se realizeaza prin izolarea termica pasiva a suprafetei ce limiteaza spatiul incalzit de mediul exterior (pereti, acoperis, planseu peste subsol). Aceasta economie este materializata printr-un consum redus de combustibil in anotimpul rece. Conceptia prefabricarii cladirii conduce la o micsorare substantiala a timpului de executie. Eficienta conceptiei cladirilor pe schelet din lemn va conduce la economii la costurile de investitie si in special de exploatare.
1. LEMNUL CA RESURSA REGENERABILA
Lemnul din punct de vedere botanic se clasifica in specii de lemn tare si lemn moale, ceea ce se reflecta in detaliile structurii sale. Speciile de lemn moale sunt arbori cu frunze aciculare permanent verzi, iar cele de lemn tare sunt arbori cu frunzele cazatoare. Clasificarea nu reflecta rezistenta reala a lemnului, pentru ca speciile de lemn cu valorile rezistentelor cele mai reduse si cele mai mari sunt speciile de lemn tare.
Productia anuala mondiala de lemn este de aproximativ 2,4x109 tone, din care 80%, in tarile dezvoltate, este utilizat ca lemn rotund industrial si 20% folosit drept combustibil, ce poate ajunge la 80% in tarile in curs de dezvoltare.
Industria lemnului are o situatie unica, ea poate utiliza propriile reziduuri lemnoase pentru a genera o parte din energia necesara tehnologiei proprii. In schimb, dezvoltarea tehnologiei de prelucrare a lemnului si a materialelor derivate (placaj, placi fibroase etc.) conduce la tendinta de reducere a reziduurilor lemnoase, ceea ce va afecta stocurile disponibile. In paduri se gasesc cantitati mari de lemn nefolosite, care pot fi utilizate numai sub forma de combustibil (cu eficienta marita la centralele moderne pe lemn). In viitor factorii economici vor hotari daca vor fi cereri conflictuale de resurse de lemn de foc sau ca materie prima pentru industrie. Productia mondiala de lemn rotund industrial poate fi comparata cu productia de otel. Spre deosebire de otel, lemnul reprezinta o sursa regenerabila, care poate fi constant inlocuita in procesul de utilizare.
In cazul cand rata taierii nu depaseste pe cea a cresterii arborilor, padurile vor fi o sursa perpetua de obtinere a lemnului pentru constructii. Compozitia padurilor din punct de vedere a speciei copacilor poate fi modificata, la fel ca dimensiunile si varsta de taiere a copacilor. Cu un control adecvat, lemnul se va regenera continuu. Cresterea intensitatii controlului poate conduce la marirea substantiala a productivitatii zonelor forestiere.
2. CARACTERISTICILE PRINCIPALE
ALE LEMNULUI
Produs natural de origine biologica, lemnul este caracterizat printr-un grad mare de diversitate si posibilitati variate de utilizare. Speciile de lemn comercial reprezinta o fractiune mica din numarul total de specii (estimat la 30.000).
Proprietatile lemnului depind de densitate si variaza intre limite foarte largi (160-1280kg/m3), ilustrand diversitatea ce poate sa apara datorita diferentelor dintre specii. Se mentioneaza variatii considerabile in cadrul aceleiasi specii, datorita factorilor genetici si de mediu, care influenteaza cresterea arborilor. Variatie ce se intalneste nu numai de la un arbore la altul, dar si in cadrul aceluiasi arbore (datorita modelului natural de crestere), care face ca proprietatile lemnului sa depinda de pozitia radiala si inaltimea arborelui.
In cazul utilizarii lemnului ca element comprimat, estimarile rezistentei trebuie sa aiba la baza valoarea minima, in loc de cea medie, pentru a mari gradul de siguranta.
Variatiile posibile sunt luate in considerare la determinarea caracteristicilor lemnului, reducand rezistenta acestuia (de exemplu, nodurile din lemnul ecarisat). Acestea sunt factori majori in determinarea gradului de siguranta a elementelor structurale.
Lemnul este un material anizotropic, cu proprietati dependente de directia de masurare. Directiile principale la elementele din lemn sunt longitudinala, radiala si tangentiala.
Directia longitudinala este paralela cu axul cilindric al trunchiului, denumita si directia paralela cu miezul, pentru ca majoritatea celulelor sunt aliniate paralel cu acesta.
In sectiunea perpendiculara pe axa longitudinala apar inele concentrice ce marcheaza cresterea anuala. Directia radiala si cea tangentiala (perpendiculare pe fibra arborelui) sunt normale si tangentiale la aceste inele de crestere.
Rezistenta la intindere si rigiditatea lemnului sunt maxime paralel cu fibra si minime pe directia perpendiculara.
Contractia lemnului, care insoteste pierderea de umiditate, este mica paralel cu miezul si mult mai mare pe directia perpendiculara.
Gradul mare de anizotropie al lemnului este evidentiat la rezistenta de intindere din incovoiere si modulul de elasticitate Young.
Lemnul, fiind un material organic, este de obicei considerat ca avand o viata scurta.
Durabilitatea cladirilor din lemn consta in utilizarea corecta a acestui material si intelegerea factorilor care il distrug.
Lemnul este un material biodegradabil, caracteristica esentiala pentru natura si care devine un avantaj cand nu mai poate fi utilizat. Acelasi proces natural este un dezavantaj sever, in cazul biodeteriorarii lemnului de constructii in exploatare. Conservarea lemnului necesita crearea conditiilor nefavorabile organismelor (ciupercile, termitele) ce produc biodegradarea. Combaterea ciupercilor se realizeaza prin pastrarea uscata a lemnului. In cazul termitelor se va evita contactul lemnului neprotejat cu solul.
Lemnul este un material combustibil, usor deteriorabil la foc. Rezistenta lemnului la foc este influentata, in proportie mare, de dimensiunile acestuia.
Utilizand metode eficiente de conceptie, executie si protectie a lemnului, se poate obtine un grad ridicat de rezistenta la foc in faza incipienta a unui incendiu, dand astfel posibilitatea sa actioneze protectia activa si sa se tina sub control focul. Lemnul este un material slab conducator de caldura, iar stratul de carbune, format pe suprafata expusa arderii, are o conductivitate redusa.
Lemnul fiind un material higroscopic, va retine sau elimina umiditatea in functie de temperatura si umiditatea relativa a mediului inconjurator. Modificarile aparute datorita continutului in apa, sub punctul de saturatie al fibrei (stare in care peretii celulelor sunt saturati cu apa absorbita, iar in cavitati nu exista apa libera ) are efect asupra majoritatii proprietatilor lemnului.
Lemnul se contracta la uscare si se umfla la reumezire. Volumul de contractie al lemnului proaspat introdus in uscator variaza intre 6-20% in functie de specie. Aproximativ 2/3 din contractie va fi consumata in directie tangentiala, 1/3 in cea radiala, iar contractia longitudinala este neglijabila.
Lemnul in exploatare nu-si va modifica continutul de umiditate, datorita uscarii prealabile pana la umiditatea de exploatare, la care efectul contractiei si umflarii asupra modificarii dimensiunilor va fi minim.
Protejarea lemnului poate fi utilizata pentru a intarzia modificarile continutului in apa, rezultat in urma variatiilor de scurta durata ale temperaturii si umiditatii relative a aerului. Nu exista metode de protectie care sa previna in totalitate modificarea continutului de apa. Reducerea gradului de higroscopicitate a lemnului se poate realiza prin tratare chimica, care are dezavantajul unui cost ridicat.
La conceptia elementelor din lemn se vor lua in considerare deformarile dimensionale (contractie si umflare) prin evitarea utilizarii dimensiunilor mari, perpendiculare pe fibra.
3. CONCEPTIA CLADIRILOR EFICIENTE
DIN LEMN
Sistemul structural al cladirii din lemn este alcatuit din peretii portanti si neportanti la fiecare nivel, ce se descarca pe elementele portante orizontale – plansee cu rigiditate sporita.
Planseele sunt alcatuite din grinzi structurale transversale, pozate dupa directia scurta si pardoseala.
Infrastructura cladirii poate fi conceputa cu sau fara subsol. In cazul cladirii cu subsol, peretii sunt alcatuiti din zidarie cu blocuri din beton.
Planseul peste subsol este conceput din grinzi transversale structurale (dulapi pozati dupa momentul de inertie maxim) ce reazema pe o talpa din lemn si rigidizate cu placa de pardoseala (fig.1).
Talpa din lemn este pozata si ancorata la partea superioara a zidului subsolului sau a fundatiei (fig.2). Talpa reprezinta rezemarea grinzilor planseului, iar sub acest element din lemn se monteaza o izolatie hidrofuga. In anumite zone este necesara prevederea unor scuturi impotriva termitelor.
Sectiunea grinzilor si interaxul acestora sunt determinate de incarcarile verticale si deschiderea planseului (dimensiunea scurta).
In conceptia planseului apare necesitatea pozarii rigidizarilor; acestea dau sistemului stabilitate in plan orizontal, un efect si o arie mai mare in distribuirea incarcarilor la elementele structurale verticale, pe o arie mai mare. Aceste rigidizari pot fi prevazute din otel sau din lemn masiv, avand sectiunea identica cu cea a grinzii planseului.
Grinzile planseului din lemn trebuie sa fie dublate sub peretii portanti. Rezemarea peretilor autoportanti nu necesita dublarea grinzilor. Pardoseala utilizata peste grinzile planseului realizeaza o platforma orizontala, utilizata la tehnologia de montaj si un suport pentru stratul de finisaj.
Materialele utilizate pentru pardoseala planseului pot fi placi din placaj dur, lemn presat, aglomerate din lemn. Latura lunga a placii de pardoseala este paralela cu grinzile planseului pentru a micsora sarcinile pe aceste elemente.
Golurile in plansee pot fi incadrate de rigidizari dispuse perpendicular cu grinzile planseului si sustin capetele grinzilor sectionate. Golurile in planseu se realizeaza pentru scari, semineu.
Sistemul structural pentru pereti se monteaza dupa executarea planseului. Se poate utiliza la realizarea peretilor metoda „executiei prin ridicare“, in care scheletul peretilor confectionati pe o platforma provizorie se ridica si se ancoreza in continuare, la pozitia din proiect.
Sistemul structural al peretilor exteriori si interiori este identic. Scheletul peretilor este alcatuit din montanti, rigle la partea inferioara (simpla), superioara (dubla) si rigidizari (fig.3).
Montantii sunt elemente primare, prefabricate, ale sistemului structural al peretilor, care transmit sarcina de la partea superioara. In cazul conceptiei in care componentele structurii acoperisului sau planseului se pozeaza direct pe montantii peretelui, se poate utiliza la partea superioara o singura rigla. Aceasta se va dubla in cazul rezemarii intre montanti. Colturile exterioare ale cladirii trebuie rigidizate prin contravantuiri, pentru a preveni deformarea peretelui datorita incarcarii din vant sau sarcinii seismice. Rigidizarea se poate realiza cu contravantuiri din lemn sau in „x“ din otel, la care se adauga placarea structurala a peretilor.
Buiandrugul, element din structura peretelui utilizat la golurile pentru ferestre, usi, este alcatuit din una sau doua elemente orizontale.
Sistemul structural al acoperisului contribuie la stabilitatea si rezistenta de ansamblu a cladirii.
Structura acoperisului trebuie sa suporte incarcarea permanenta, din zapada si cea din vant, la care se poate adauga o incarcare suplimentara, ce actioneaza in faza de montaj din greutatea muncitorilor. Sistemul structural al acoperisului mai des utilizat este alcatuit din capriori si grinzi de tavan.
Grinzile pentru tavan se pozeaza la un interax functie de latimea casei si de sarcina utila din pod, aceste elemente reazema pe peretii portanti exteriori si interiori. Grinzile tavanului sunt de obicei montate inaintea capriorilor, astfel incat ele sunt capabile de-a prelua impingerea orizontala determinata de capriori in peretii exteriori ai casei. In consecinta, aceste elemente ce preiau impingerea trebuie ancorate de peretii interiori si exteriori. Capriorii de pe ambele directii sunt imbinati pe o pana de coama (dulap pozat dupa momentul de inertie maxim). Se vor utiliza rigidizari la capriori (din 3 in 3 elemente), cu clesti. Pana de coama, cu lungimea egala cu a acoperisului, contribuie la distribuirea echilibrata a incarcarii la capriori. Pentru realizarea unei imbinari eficiente, zona de rezemare a capriorilor pe peretii exteriori este tesita.
Conceptia cladirilor cu schelet din lemn conduce la o siguranta de ansamblu a cladirii, avand o comportare buna in exploatare la incarcari orizontale si verticale, care impreuna cu economia de material lemnos, energie si timp de executie vor conduce la extinderea acestor constructii.