1. No category

Strokovni posvet GRADNJA LESENIH STAVB
15. 5. 2012, Cankarjev dom, Ljubljana
LESNI KOMPOZITI ZA GRADNJO
WOOD-BASED COMPOSITES FOR CONSTRUCTION
Milan Šernek
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, Rožna dolina C. VIII/34,
1000 Ljubljana, tel.: 01-320-3623; faks: 01-257-2297; [email protected]
POVZETEK
Industrijska proizvodnja prvih lesnih kompozitov se je začela na začetku 20. stoletja in
se potem razvijala hkrati z razvojem duromernih sintetičnih lepil ter ustreznih tehnologij
za izdelavo lesnih kompozitov. Komercialno so bile najprej razvite furnirne vezane
plošče, nato vlaknene in iverne plošče, ter nekaj desetletij kasneje OSB plošče.
Razvijali so se tudi drugi konstrukcijski lesni proizvodi, kot so lepljeni lamelirani nosilci in
nekoliko kasneje konstrukcijski kompozitni les, kamor spadajo proizvodi: LVL (laminated
veneer lumber), PSL (parallel strand lumber) in LSL (laminated strand lumber). V
zadnjem desetletju je za gradnjo postal zelo zanimiv križno lepljen les.
Ključne besede: lepljeni lamelirani les, križno lepljeni les, konstrukcijski lesni kompoziti,
LVL, PSL, LSL, OSB, I-nosilci
ABSTRACT
First industrial wood-based composites appeared in the beginning of 20 th century. Their
development was related to development of thermosetting wood adhesives and
availability of appropriate technologies for wood-based composites manufacture.
Plywood was the first commercial wood-based composite, followed by fibreboards and
particleboards, and then OSB after a few decades. Glued laminated timber was also
developed very early and later structural composites lumber was introduced. Structural
composite lumber includes laminated veneer lumber (LVL), parallel strand lumber (PSL)
and laminated strand lumber (LSL). In the past decade, cross laminated timber became
very popular for wood constructions.
Key words: glued laminated timber, cross laminated timber, structural composite
lumber, LVL, PSL, LSL, OSB, I-beams
Strokovni posvet GRADNJA LESENIH STAVB
15. 5. 2012, Cankarjev dom, Ljubljana
1. UVOD
Les je naravni kompozit, ki je človeku skozi zgodovino predstavljal material za izdelavo
najrazličnejših izdelkov in konstrukcij. Pri gradnji ga lahko uporabimo kot nosilni material za
konstrukcije: žagan masivni les, lepljeni lamelirani les, konstrukcijski kompozitni les (LVL, PSL
in LSL) ali kot nenosilni material: stavbno pohištvo, talne, stenske in stropne obloge.
Za nosilno funkcijo mora imeti les predvsem ustrezno trdnost in odpornost proti različnim
dejavnikom (vlaga, voda, biološki škodljivci), medtem ko so za nenosilno uporabo običajno
pomembne razne fizikalne lastnosti lesa, odpornost proti obrabi in vizualne karakteristike
površine lesa. Kot gradbeni material ima masivni les zelo ugodno razmerje med trdnostjo in
lastno maso, poleg tega pa je naraven in obnovljiv material. Neugodna pa je predvsem velika
variabilnost lastnosti masivnega lesa, njegove dimenzijske spremembe povezane z variiranjem
vlažnosti, slaba odpornost proti biološkim škodljivcem in vremenskim vplivom ter omejenost v
dimenzijah (Srpčič, 2009).
Večino teh pomanjkljivosti masivnega lesa lahko z ustreznimi tehnološkimi procesi predelave in
obdelave omilimo ali povsem izločimo. V ta namen iz masivnega lesa izdelujemo različne lesne
kompozite, kjer z uporabo osnovnih inženirskih zakonitosti prilagodimo lastnosti kompozita
določeni funkciji. Med lesnimi kompoziti, ki so namenjeni za nosilno funkcijo, prevladujejo:
lepljeni lamelirani les, križno lepljeni les, konstrukcijski kompozitni les in I-nosilci.
2. LEPLJENI LAMELIRANI LES
Masivnemu lesu lahko izboljšamo mehanske lastnosti tako, da zmanjšamo število nezaželenih
napak, ki jih izžagamo, nato pa krajše kose zlepimo v daljše. Na ta način lahko proizvajamo
lamele poljubnih dolžin, ki jih lahko v nadaljevanju lepimo po debelini (blokovno) in s tem
proizvajamo elemente z ustreznim presekom in trdnostjo. Omenjene postopke s pridom
izkoriščamo pri proizvodnji lepljenih lameliranih nosilcev, pri katerih sta lahko presek in dolžina
bistveno večja od masivnega žaganega lesa.
Lepljeni lamelirani nosilci spadajo med nosilne elemente, ki so sestavljeni iz dveh ali več lamel
debeline 6-45 mm, ki so med seboj zlepljene vzporedno glede na vzdolžno os lamel. Lamele so
običajno dolžinsko zlepljene, pri čemer se najpogosteje uporabljajo zobati spoji. Za izdelavo
lepljenih lameliranih nosilcev uporabljamo predvsem les iglavcev kot so smreka, jelka, rdeči bor
in duglazija. Smreka in jelka sta lahko obravnavani kot ista lesna vrsta. Uporabljajo se lahko
tudi drugi iglavci, medtem ko je izmed listavcev predviden le topol. Vlažnost lesa mora biti med
6 in 15 %, pri čemer je lahko razlika v vlažnosti med lamelami istega nosilca največ 5 %. Za
lepljenje lameliranega lesa uporabljamo konstrukcijska lepila na osnovi fenolov (FF, RF, FRF),
aminoplastov (MF, UF, MUF), enokomponentna poliuretanska lepila, emulzijska poliizocianatna
lepila in epoksidna lepila (Šernek, 2011).
Postopki izdelave lepljenih lameliranih nosilcev se razlikujejo predvsem z vidika stiskanja
oziroma lepljenja. Najbolj pogosto se uporablja tehnologija hladnega lepljenja, v sodobnih
proizvodnjah pa tudi vroče lepljenje na osnovi visokofrekvenčnega segrevanja, vendar je to
primerno za ravne nosilce in tipizirane preseke nosilcev. Klasičen način izdelave lepljenih
nosilcev vključuje hladno lepljenje in omogoča najrazličnejše oblike in dimenzije nosilcev.
Klasičen tehnološki postopek izdelave lepljenih lameliranih nosilcev poteka tako, da masiven
les najprej razžagajo in posušijo na ustrezno vlažnost. Sledi skobljanje lamel, ugotavljanje
fizikalnih in mehanskih lastnosti ter označevanje in izžagovanje napak. Nato lamele dolžinsko
spajajo z zobatim spojem. Sledi izbor lamel po določenih kriterijih, pri čemer se upošteva
trdnost lamel in njihova predvidena obremenitev oziroma položaj v nosilcu. Potem lamele
dvostransko skobljajo, nanesejo lepilo in sestavijo v lepljenec, ki ga postavijo v oblikovalnik,
kjer poteka oblikovanje in stiskanje nosilca. Priporočen tlak stiskanja je odvisen od vrste lesa in
debeline lamel ter znaša 0,6 - 1,0 N/mm2. Temperatura stiskanja mora biti 20 °C ali več. Po
stiskanju sledi kondicioniranje in končna obdelava nosilcev. Lepljeni nosilci so lahko dodatno
zaščiteni s fungicidi, insekticidi in ognjevarnimi premazi.
Strokovni posvet GRADNJA LESENIH STAVB
15. 5. 2012, Cankarjev dom, Ljubljana
Lepljene lamelirane nosilce razvrščamo v tri razrede uporabe, ki so določeni glede na klimatske
pogoje uporabe. Prvi razred uporabe določa količino vlažnosti v materialu, ki ustreza
temperaturi 20 °C in relativni zračni vlažnosti 65 %. Pri tem vlažnost lesa ne preseže 12 %
povprečne vlažnosti. V drugem razredu je temperatura 20 °C in relativna zračna vlažnost okolja
85 %. Pri tem vlažnost lesa ne preseže 20 % povprečne vlažnosti. V tretjem razredu so
klimatski pogoji z višjo vlažnostjo kot v drugem razredu (Šernek, 2011).
Lepljene lamelirane nosilce uporabljamo za najrazličnejše namene v gradbeništvu (konstrukcije
in ostrešja hiš, industrijskih hal, športnih objektov, bazenov, mostov). Pred ostalimi gradbenimi
nosilnimi elementi imajo to prednost, da jih zlahka obdelujemo in proizvajamo v poljubnih
dimenzijah in oblikah, kar omogoča bogato arhitektonsko oblikovanje prostora. Imajo veliko
nosilnost glede na lastno težo ter visoke predvidljive trdnostne vrednosti. Zaradi nizke gostote
sta transport in gradnja bistveno manj zahtevna, kot pri betonskih in kovinskih nosilcih.
Montaža je hitra, vzdrževanje pa je relativno enostavno. Zaradi natančne izdelave in skrbne
površinske zaščite so lepljeni lamelirani nosilci odporni proti različnim vremenskim vplivom.
Ustrezno zaščiteni nosilci imajo dobro odpornost proti ognju in se v primerih požara ne porušijo
hipno (Srpčič, 2009). Pred masivnim lesom ima lepljeni lamelirani les te prednosti, da je
dimenzijsko stabilnejši, ima boljše in manj variabilne mehanske lastnosti, izdelamo ga lahko v
različnih oblikah in večjih dimenzijah (Slika 1).
Slika 1: Transport in vgradnja 44 metrskih lepljenih lameliranih nosilcev izdelanih v podjetju
HOJA d.d. (Šernek, 2011)
Figure 1: Transportation and installation of 44 meters long glued laminated beams produced
by HOJA Company (Šernek, 2011)
3. KRIŽNO LEPLJENI LES
Križno lepljen les je sodobni lesni kompozit, ki se uporablja za nosilne gradbene namene.
Razvit je bil pred dvema desetletjema v Avstriji, njegova proizvodnja in uporaba pa je začela
skokovito rasti po letu 2000.
Križno lepljeni les je sestavljen iz več slojev masivnega lesa, ki so med seboj zlepljeni pod
pravim kotom. V primerjavi z lepljenim lameliranim lesom ima bolj enakomerno porazdeljene
lastnosti v vzdolžni in prečni smeri. Zaradi križnega lepljenja je tak kompozit dimenzijsko bolj
stabilen, saj je delovanje lesa zmanjšano. Za izdelavo uporabljamo les iglavcev, ki je tehnično
posušen na 10 - 14 % vlažnost. Les dolžinsko in širinsko spajamo, nato pa sloje lepimo med
sabo v ploščo. Križno lepljene plošče so iz lihega števila slojev (3, 5, 7 ali več), pri čemer je
prečni prerez plošče simetričen (Slika 2). Deformacije v ravnini plošče so majhne in dejansko
zanemarljive, medtem ko pravokotno na ravnino plošče znašajo približno 2,4 mm/m za vsak %
spremembe vlažnosti lesa (Dujič, 2008).
Strokovni posvet GRADNJA LESENIH STAVB
15. 5. 2012, Cankarjev dom, Ljubljana
Križno lepljen les ima različna komercialna imena oziroma kratice kot so v angleščini CLT
(Cross Laminated Timber) in X-LAM ter v nemščini KLH (KreuzLagenHolz) in BSP
(BrettSperrHolz). Uporabljamo ga za stenske, stropne in strešne elemente pri gradnji hiš,
večstanovanjskih objektov, industrijskih in skladiščnih hal ter drugih objektov. Križno lepljene
elemente običajno proizvajajo do dolžine 20 m, širine do 3 m in debeline do 0,5 m.
Slika 2: Sestava in izgled križno lepljenega lesa
Figure 2: Composition and appearance of cross laminated timber
4. KONSTRUKCIJSKI KOMPOZITNI LES
V skupino konstrukcijskega kompozitnega lesa (Structural Composite Lumber - SCL) spadajo
proizvodi, ki so sestavljeni bodisi iz listov furnirja, trakov furnirja ali dolgih in tankih ploščatih
iveri, ter zlepljeni v obliko določenega konstrukcijskega proizvoda. SCL proizvodi so zlepljeni z
lepili za konstrukcijsko uporabo, pri čemer orientacija vlaken osnovnih lesnih gradnikov poteka
vzporedno s smerjo dolžine proizvoda (Šernek, Jošt, 2004). V ožjem smislu med konstrukcijski
kompozitni les prištevamo: LVL (laminated veneer lumber), PSL (parallel strand lumber) in LSL
(laminated strand lumber) (Slika 3).
Slika 3: Konstrukcijski kompozitni les – LVL, PSL in LSL
Figure 3: Structural composite lumber – LVL, PSL and LSL
4.1.
Proizvod LVL
LVL, ki ga v slovenščino prevajamo kot slojnat furnirni les oziroma krajše laminirani furnir, je
konstrukcijski kompozit, ki so ga industrijsko začeli izdelovati leta 1967 v ZDA. Leta 1968 je
ameriško podjetje Trus Joist Corporation razvilo in začelo proizvajati LVL na kontinuiran način
pod tržnim imenom MicrollamTM. V Evropi so začeli poskusno proizvodnjo LVL na Finskem leta
1975, medtem ko je prva redna proizvodna linija za LVL začela delovati leta 1980. Proizvod je
dobil tržno ime KertoTM. Dandanes večino LVL proizvajajo v ZDA, na Finskem, Japonskem, v
Avstraliji in Novi Zelandiji.
Strokovni posvet GRADNJA LESENIH STAVB
15. 5. 2012, Cankarjev dom, Ljubljana
LVL je narejen iz najmanj petih slojev luščenega furnirja različnih debelin (od 2,6 do 3,3 mm) in
različnih lesnih vrst (predvsem: duglazije, jelke, smreke, bora in topola), ki so med seboj
zlepljeni z vodoodpornim fenol-formaldehidnim lepilom. Listi furnirja so v glavnem usmerjeni
vzporedno z vzdolžno smerjo lesnih vlaken v zunanjem furnirju lepljenca, pri izvedbi za
posebne namene pa so lahko posamezni furnirni listi tudi prekrižani pod različnimi koti. Listi
furnirja so med sabo dolžinsko spojeni (poševni spoj, čelna sestava, prekrivanje ali ojačitev),
spoji furnirja pa so med sabo vzdolžno zamaknjeni za 100 - 120 mm.
V primerjavi z masivnim lesenim tramom ima LVL nosilec v vzdolžni smeri večjo upogibno
trdnost, večji modul elastičnosti in boljšo strižno trdnost. Razlog za to je izločitev ali razpršena
distribucija napak lesa ter usmerjenost lesnih vlaken furnirja v smeri dolžine nosilca. LVL
odlikuje tudi večja predvidljivost glede kvalitete proizvoda, dimenzijska pestrost in dobra
obdelavnost. V gradbeništvu lahko LVL uporabljamo kot samostojen nosilec, za pasnice pri Inosilcih, za ojačitev nateznega dela pri lepljenih nosilcih in za različne tipe sestavljenih nosilcev
(Šernek, Jošt, 2004).
4.2.
Proizvod PSL
Proizvod PSL je sestavljen iz vzporedno usmerjenih trakov luščenega furnirja, ki so z
vodoodpornim lepilom zlepljeni v obliko nosilca. Razvoj PSL se je začel v sedemdesetih letih
prejšnjega stoletja, na tržišču pa se je pojavil leta 1984 pod imenom Parallam® PSL. Surovina
za proizvodnjo PSL je drobna hlodovina duglazije, bora, tulipanovca ali trobelike, ki jo luščijo v
3,2 mm debeli furnir. Furnir sušijo na 11 % vlažnost in razrežejo na trakove s širino okrog 20
mm in z dolžino 0,6 - 2,4 m. Trakove furnirja oblepijo s fenol-formaldehidnim ali fenolrezorcinol-formaldehidnim lepilom in jih vzdolžno usmerjajo ter oblikujejo v nosilec tako, da
napake lesa razpršijo po dolžini proizvoda. PSL nosilec najprej oblikujejo v predstiskalnici, ga
nato v nekaj minutah segrejejo na okrog 150 °C v visokofrekvenčni stiskalnici in nato dokončno
zlepijo v kontinuirani stiskalnici. PSL nosilci so lahko daljši in debelejši kot nosilci iz masivnega
lesa. Dimenzije PSL so v preseku do 280 mm × 500 mm in dolžine do 20 m.
Izkoristek surovine je pri proizvodnji PSL zelo visok (do 80 %), saj je mogoče porabiti tudi manj
kvaliteten furnir in manjše furnirske formate ter ostanke pri luščenju furnirja. Trdnostne lastnosti
PSL so zaradi zgostitve, porazdelitve in izločitve večjih napak lesa podobne ali celo boljše od
trdnostnih lastnosti masivnega lesa iz katerega je PSL. Slabost PSL je, da je težji kot žagan les
ali lepljeni nosilec podobnih dimenzij. PSL uporabljamo v gradbeništvu predvsem za razne
nosilce, lege in stebre (Šernek, Jošt, 2004).
4.3.
Proizvod LSL
Proizvod LSL je sestavljen iz dolgih ploščatih iveri, ki so usmerjene vzdolž dolžine proizvoda in
zlepljene z vodoodpornim lepilom. V Severni Ameriki ima tržno ime TimberStrand® LSL, v
Evropi pa IntrallamTM. Za proizvodnjo LSL uporabljajo predvsem drobno hlodovino trepetlike in
tulipanovca, ki ji odstranijo skorjo in nato iz nje s posebnim iverilnikom izdelajo iveri debeline
0,7 - 1,3 mm, širine do 25 mm in dolžine do 300 mm. Premajhne delce izločijo in kasneje
uporabijo kot kurivo. Nato ploščate iveri posušijo in na njih v stroju za oblepljanje razpršijo
poliuretansko lepilo. Z enakomernim natresanjem in usmerjanjem ploščatih iveri oblikujejo LSL
proizvod, ki ga krojijo na dolžino in nato transportirajo v klasično vročo stiskalnico, ga stisnejo in
segrejejo, da lepilo utrdi. LSL nato obdelajo na končne dimenzije, ki lahko znašajo 140 mm po
debelini, 2,4 m po širini in 15 m po dolžini.
Za proizvodnjo LSL lahko uporabimo manj kvalitetno surovino kot pri proizvodnji LVL in PSL.
Izraba lesne surovine je največja med vsemi SCL proizvodi (nad 80 %). Poseben sistem
vbrizgavanja pare omogoča hitro utrjevanje lepila in povečanje mehanskih lastnosti zaradi
zgostitve lesa. LSL proizvode uporabljamo za stebre, deske, tramove in lažje veznike (Šernek,
Jošt, 2004).
Strokovni posvet GRADNJA LESENIH STAVB
15. 5. 2012, Cankarjev dom, Ljubljana
5. I-NOSILCI IZ LVL IN OSB
Z medsebojnim lepljenjem različnih lesnih kompozitov lahko izdelamo visoko nosilne gradbene
elemente, ki so po obliki in sestavi konstruirani za točno določeno funkcijo. Pri tem izkoriščamo
prednostne lastnosti posameznega lesnega kompozita in ga v nosilnem elementu plasiramo tja,
kjer pride odlikovana lastnost kompozita do izraza. Odličen primer uporabe te zakonitosti je Inosilec, ki ima pasnici iz LVL-a in stojino iz OSB plošče (Slika 4).
Slika 4: I-nosilec iz lesnih kompozitov – pasnice iz LVL, stojina iz OSB plošče
Figure 4: I-beam from wood-based composites – flange from LVL, web from OSB
Ko je I-nosilec obremenjen na upogib, je njegova spodnja stran obremenjena na nateg, zgornja
pa na tlak. V teh predelih je zato uporabljen LVL, ki ima odlične trdnostne lastnosti v vzdolžni
smeri in tako poveča nosilnost I-nosilca. Dobre strižne lastnosti OSB plošče pridejo do izraza v
I-nosilcu, ko jo uporabimo za stojino nosilca. I-nosilce uporabljajo predvsem za konstrukcijo
stropov ali talnih nosilnih površin (Šernek, Jošt, 2004).
6. LITERATURA IN VIRI
Dujič B (2008) Konstrukcije iz križno lepljenih lesenih panelov. Les, 60: 415-422
Srpčič J (2009) Les za gradbene konstrukcije. Gradbenik, 13(10): 50-53
Šernek M, Jošt M (2004) Konstrukcijski kompozitni les. Les, 56: 230-235
Šernek M (2011) Lesni konstrukcijski proizvodi. V: Lopatič, J. (ur.), Markelj, V. (ur.), Saje, F.
(ur.). 33. zborovanje gradbenih konstruktorjev Slovenije, Bled, 203-210