Hva er de mekaniske egenskapene til bambus? Det er sannsynligvis et av de mest stilte spørsmålene blant europeiske eller amerikanske arkitekter, ingeniører og byggherrer. Slik informasjon kan enkelt finnes og fås for tre, stål, betong eller til og med konstruerte bambusprodukter som gulv og paneler, men dette er ikke tilfellet for bambusstenger. Hvorfor?
«Bambuss mekaniske egenskaper er ofte to til tre ganger høyere enn tradisjonelt tre. Imidlertid forhindrer juridisk usikkerhet rundt universelle regler og standarder en bambusboom i mange deler av verden.»
Bambus består av mange forskjellige arter, og hver av dem har forskjellige strukturelle og mekaniske egenskaper akkurat som trær. Trekk fra teak, eik eller Balsa har heller ikke de samme egenskapene. Videre kan en enkelt bambusart vise svært forskjellige testresultater avhengig av alderen og fuktighetsinnholdet til den testede bambuspinnen, dens opprinnelse (jordsmonn) , høyde, klimaforhold) og delen av stammen som testes (bunnen, midten eller toppen av «treet»).
En annen viktig årsak til mangelen på informasjon er det faktum at bambusstenger som byggemateriale fortsatt er relativt ukjente i Europa eller Nord-Amerika (delvis fordi primærbambus av konstruksjonskvalitet vokser i tropiske land). Det er først de siste 30-35 årene at de mekaniske egenskapene til bambus har blitt vitenskapelig testet.
Hvorfor er mekaniske egenskaper viktige?
De fleste land har ingen standard byggekoder for bambus, noe som gjør det vanskelig for de som ønsker å bruke materialet i konstruksjonen. Det er en slags rettsusikkerhet rundt fastsettelse av visse bambusegenskaper, som brannmotstand, styrkeegenskaper, holdbarhet osv., som tilsier at det er et presserende behov for forskrifter og standarder.
Styrkeegenskapene til bambus er allerede testet av universiteter over hele verden og gir eksepsjonelle resultater, som i mange tilfeller er mye bedre enn konvensjonelle byggematerialer. Byggekodestandarder krever imidlertid mer enn styrkeegenskaper alene, andre egenskaper å vurdere er:
- Holdbarhet
- Brannsikkerhet
- Miljøpåvirkning
- Brukersikkerhet
- Energieffektivitet
Brannmotstand og holdbarhet er områder som fortsatt trenger ytterligere undersøkelser før en standard byggekode kan utpekes for bambus. Ikke desto mindre har det blitt gjort viktige fremskritt ved å introdusere en internasjonal ISO 22157- standard for mekaniske egenskaper av bambus.
Den internasjonale standardiseringsorganisasjonen (ISO)
International Organization for Standardization, kjent som ISO, har utarbeidet en egen standard for å bestemme de mekaniske egenskapene til bambus i 2004. Dette er et første og svært viktig skritt for å få godkjent bambusstenger som byggemateriale overalt.
ISO 22157-standarden beskriver hvordan bøyestyrke, kompresjon, strekk, skjærkraft og holdbarhet skal bestemmes. For de som er interessert, finner du retningslinjeneher.
I denne artikkelen presenterer vi flere testresultater fra ulike kilder og på ulike bambusarter. Det er viktig å merke seg at ikke alle tester ble utført i henhold til ISO 22157-standarden, men det gir en generell idé om de mekaniske egenskapene til bambus.
Kompressiv styrke
Det er to typer trykkstyrke som skal testes i henhold til ISO 22157 standard trykkfasthet parallelt med korn og trykkfasthet vinkelrett på korn. Merkelig nok beskriver ISO 22157-retningslinjene bare testmetodikken for trykkfasthet parallelt med korn, men gir ikke en metode for trykkfasthet vinkelrett på korn. Derfor vil vi bare diskutere førstnevnte.
På grunn av den naturlige formen til et bambus-«tre» må 3 forskjellige deler av stammen testes: den nederste, den midterste og den øverste delen. Dette er nødvendig fordi en bambusstamme ikke har et sammenhengende tverrsnitt og det er forskjeller i strukturelle egenskaper mellom den nedre delen, som har større diameter, og den øvre delen, som har en mindre diameter.
Testprøvene kan ikke inneholde en knute fordi resultatene av disse prøvene ikke vil gi nøyaktige resultater siden knutene er de sterkeste områdene i en bambusstamme. Det tas derfor prøver fra snittet mellom to noder (internoder), da dette er den svakeste delen av en.bambusstang.
For konstruksjonsformål kan kun bunn-, midt- og toppdelen brukes som søyler eller bjelker. ‘Bly’ og ‘pinne’-delen av bambuskulmen anses ikke som nyttige i konstruksjon på grunn av deres lille diameter.
Kompressiv styrke til Guadua angustifolia
Mekaniske egenskaper til arten Guadua angustifolia ble testet i henhold til ISO 22157 standarder ved Los Andes University i Bogota, Colombia i 2010. Tre prøver av 2-3-4 og 5 år gammel Guadua bambus ble brukt for å bestemme effekten av alder på dens mekaniske egenskaper.
Gjennomsnittlig fuktighetsinnhold i bambusprøvene (som er en viktig parameter) var henholdsvis 59,3 %, 56,5 %, 56,7 % og 65,2 %. Gjennomsnittlig ytre diameter på nedre del var 13 cm, på midtre del 12 cm og 10 cm for øvre del.
| Kompresjonsstyrken til Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Alder på bambusstengler (år) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Nederst | E (N / mm2) | 15500 | 16500 | 17400 | 15200 |
| σ (N / mm2) | 39.9 | 38.1 | 37.6 | 32.1 | |
| Midtøsten | E (N / mm2) | 14900 | 18000 | 16800 | 16500 |
| σ (N / mm2) | 27.2 | 42.1 | 41.5 | 34.7 | |
| Topp | E (N / mm2) | 20000 | 17000 | 17500 | 18200 |
| σ (N / mm2) | 20.4 | 42.6 | 42.1 | 39.0 | |
Den maksimale trykkstyrken til Guadua angustifolia ble observert i 3-4 år gamle belger med et gjennomsnitt på 40 N/mm2 (i grønn tilstand). Trykkstyrken til 5 år gamle Guadua ble redusert med ca. 16 % sammenlignet med styrken til 3-4 år gamle Guadua.
Sammenligning av trykkstyrken til forskjellige bambusarter
Tabellen nedenfor gir en oversikt over trykkstyrken til forskjellige bambusarter. Det er viktig å merke seg at ikke alle testresultater samsvarer med ISO 22157-standarden. Verdiene vist i tabellen er gjennomsnittsverdier, så de nevner ikke forskjeller i vertikal retning eller alder.
| Trykkstyrke for forskjellige bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | σ (N / mm2) | E (N / mm2) | ρ (kg/m3) | MC (%) | Kilde |
| Bambusa balcooa | 39.4 – 50.6 | – | – | grønn | Kabir et al |
| 51 – 57.3 | – | – | lufttørr | ||
| 69 | – | 820 | 8.5 | Naik | |
| Bambusa-bambus | 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 igjen | 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 Magazine | |
| 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 | – | – | yen |
| 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 | ||
Konklusjon:
Trykkstyrken til bambus er omtrent mellom 40 og 80 N / mm2, som er to til fire ganger verdien av de fleste treslag. Forskjellen i resultater kan forklares med de ulike testmetodene og prøvene som ble brukt. Det er imidlertid klart at alder og fuktighetsinnhold i bambusprøver har en betydelig innflytelse på bambuss trykkstyrke. Bambus med lavt fuktighetsinnhold har en høyere trykkstyrke enn bambus med høyt fuktighetsinnhold.
Strekkfasthet
Den maksimale strekkfastheten til bambus bestemmes ved å teste fibrene (bambusstrimler) og ikke på hele culmprøver. Som med trykkfasthet gir ISO 22157-standarden retningslinjer for strekkfasthet parallelt med korn, men ikke for strekkfasthet vinkelrett på korn.
For å teste strekkfastheten til bambus brukes 3 omdreininger fra bunndelen, midtdelen og den øverste delen av hele bambusstammen. Hver stripe er mellom 10-20 mm bred, har tykkelsen som en bambuskulm og er 100 mm lang. Fuktighetsinnholdet i hver prøve skal bestemmes og prøvene skal ha en knute. Siden fiberretningen til knuten er motsatt av fiberens indre retning, regnes knuten her som det svakeste punktet på stammen (ved testing av trykkstyrke er det omvendt).
Tabellen nedenfor viser strekkfastheten til de mest populære bambusartene som brukes til strukturelle bruksområder.
| Strekkfasthet for forskjellige bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | σ (N / mm2) | E (N / mm2) | ρ (kg/m3) | MC (%) | Kilde |
| Bambusa balcooa | 164 | – | 820 | 8.5 | Naik |
| Bambusa bambus | 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 igjen | 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 Magazine |
| 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 | Du |
Konklusjon:
Den gjennomsnittlige strekkfastheten til bambus er omtrent 160 N / mm2, som ofte er 3 ganger høyere enn de fleste tradisjonelle treverk av konstruksjonskvalitet.
Skjærstyrke
Maksimal skjærspenning for bambus er en viktig faktor i utformingen av egnede snekkersystemer og koblinger. Skjærspenninger kan oppstå på to måter, parallelt med kornet og vinkelrett på kornet. Igjen, ISO 22157-standarder gir kun retningslinjer for måling av skjærspenning parallelt med korn.
Tre prøver fra nedre, midtre og øvre del av bambusstammen testes. Forskjellen denne gangen er at halvparten av prøvene må ha en knute og den andre halvparten må ikke ha en knute.
Hver prøve måles nøye før testing. Høyden på prøvestykket og tykkelsen på kulmen måles i de 4 sonene hvor forskyvning vil forekomme. Dette er viktig fordi en bambuskulm ikke er ensartet i tykkelse og testkrysssnittene er kanskje ikke perfekt utført.
Skjærestyrke til Guadua angustifolia
På samme måte som de testet trykkstyrken til Guadua angustifolia, undersøkte Los Andes University i Bogota også de samme Guadua-prøvene for skjærspenninger i henhold til ISO 22157-standarden.
Noen bilder av testoppsettet er vist nedenfor:
Skjærstyrken til Guadua angustifolia avhengig av alder og plassering av testprøven er vist i følgende tabell:
| Skjærstyrke til Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Alder på bambusstengler (år) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Nederst | τ (N / mm2) | 7.2 | 7.4 | 7.5 | 6.6 |
| Midtøsten | τ (N / mm2) | 7.5 | 8.2 | 8.0 | 7.4 |
| Topp | τ (N / mm2) | 7.2 | 8.1 | 7.6 | 8.0 |
I likhet med trykkstyrkeresultatene, tilbyr Guadua mest skjærmotstand i den midtre og øvre delen av en 3-4 år gammel stamprøve. Den gjennomsnittlige skjærstyrken til Guadua angustifolia er 8 N / mm2 (ved et fuktighetsinnhold på ca. 56,6%).
Sammenligning av skjærstyrke for forskjellige bambusarter
Skjærstyrken til forskjellige bambusarter er oppført i tabellen nedenfor. Igjen kan vi ikke bekrefte at all testing ble utført i henhold til ISO 22157-standarder, men det gir en generell innsikt.
| Skjærstyrke for forskjellige bambusarter | ||||
|---|---|---|---|---|
| Arter | τ (N / mm2) | ρ (kg/m3) | MC (%) | Kilde |
| Bambusa balcooa | 11.9 | 820 | 8.5 | Naik |
| Bambusa bambus | 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 igjen | 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 | – | grønn | Dickerson | |
Konklusjon:
Skjærspenning parallelt med korn er ca. 10 ganger lavere enn trykkstyrken og til og med 20 ganger lavere enn strekkstyrken til samme bambusart. Likevel er skjærstyrken til bambus ofte dobbelt av populære tresorter.
Bøyestyrke
Bøyestyrke har en direkte innvirkning på konstruksjonen av en struktur, det er nødvendig å forutsi avbøyningen av hvert element i en struktur før den bygges. Den mest brukte metoden for å bestemme nedbøyningen av en bjelke eller søyle er firepunkts bøyetesten.
Bøyestyrke til Guadua angustifolia
Firepunkts bøyetesten, som kreves av ISO 22157-standarden, ble utført ved University of Los Andes i Colombia. Testingen ble utført på samme bambusstenger som i testen for å bestemme trykk- og skjærstyrke.
Under denne firepunkts bøyetesten undersøkes elastisitetsmodulen (MOE) og bruddmodulen (MOR). Resultatene av denne testen er vist i følgende tabell.
| Bøyestyrke til Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Alder på bambusstengler (år) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Nederst | MOE (N / mm2) | 16900 | 16700 | 17000 | 18000 |
| MER (N / mm2) | 93.6 | 88.8 | 86.9 | 86.3 | |
| Midtøsten | MOE (N / mm2) | 17700 | 15800 | 17000 | 18700 |
| MER (N / mm2) | 84.7 | 91.6 | 103.7 | 86.9 | |
| Topp | MOE (N / mm2) | 16100 | 19400 | 18300 | 15500 |
| MER (N / mm2) | 107.3 | 97.8 | 103.8 | 107.0 | |
Elastisitetsmodulen til 5 år gamle Guadua angustifolia-stenger er størst i bunnen og midtdelen av stilken. For den øvre delen av stilken måles den høyeste elastisitetsmodulen når de er 3-4 år gamle. Bruddmodulen er høyest i den øvre delen av stammen, generelt kan det konkluderes med at Guadua angustifolia har en gjennomsnittlig bøyestyrke på 100 N / mm2.
Sammenligning av bøyestyrke for forskjellige bambusarter
Følgende tabell er et sammendrag av bøyestyrken til flere bambusarter. Resultatene kan vise små avvik fordi ikke alle data ble innhentet av firepunkts bøyetesten som definert i ISO 22157 normen. Likevel gir de en generell idé om bøyestyrken til forskjellige bambusarter.
Konklusjon:
Bøyestyrken til de fleste bambusarter varierer mellom 50 og 150 N / mm2 og er i gjennomsnitt dobbelt så sterk som de fleste konvensjonelle trekonstruksjoner. Variasjoner innen samme art er forårsaket av de forskjellige testmetodene, prøvekvaliteten og fuktighetsinnholdet i den testede bambusen.
