Az építőanyagok szilárdsági tulajdonságai: A fa és más anyagok összehasonlító elemzése
Az építőanyagok kiválasztása alapvető fontosságú minden építkezés során, hiszen ezek határozzák meg az épület tartósságát, biztonságát és esztétikai megjelenését. Az anyagok szilárdsági tulajdonságai különösen kritikusak, mivel ezek határozzák meg, hogy az anyagok milyen mértékű mechanikai igénybevételeknek képesek ellenállni anélkül, hogy károsodnának vagy tönkremennének. Ebben a cikkben alaposan körbejárjuk az építőanyagok szilárdsági jellemzőit, különös tekintettel a fára, mint természetes és megújuló építőanyagra, összehasonlítva azt más, hagyományos és modern építőanyagokkal.
A mechanikai igénybevétel és a szilárdság fogalma
A mechanikai igénybevétel alatt a műszaki szerkezetek, anyagok erőhatás okozta megterhelését értjük. Az építményeinket és az azokban kialakított teherhordó szerkezeteket a használat során jelentős erők, terhek érik, így az alkalmazás vagy a használat során különféle igénybevételeknek vannak kitéve. A szilárdság pedig az az ellenállás, amelyet az anyag a reá ható igénybevétellel szemben kifejt. A terhelés (külső erő) okozta igénybevétel szerint beszélhetünk nyomó, húzó, hajlító, nyíró és csavaró igénybevétellel szemben kifejtett szilárdságról. A szilárdság mértékegysége a pascal (Pa, N/m²). A teherhordó szerkezetekhez felhasznált anyagoktól megköveteljük a kellő szilárdságot, amelyet szilárdságvizsgálatokkal ellenőrzünk. Az igénybevétel lefolyása szerint lehetnek statikus, dinamikus és ismétlődő igénybevételek.
A külső terhelő erők hatására a szerkezetekben, anyagokban belső erők keletkeznek, amelyek igénybe veszik a szerkezeteket. Egyensúly esetén a külső és belső erők megegyeznek, egymással egyensúlyban vannak. A belső erők felületegységre jutó részét feszültségnek nevezzük. A feszültség eloszlása lehet egyenletes, de lehet változó is. A szerkezeteket nem közvetlenül külső terhelésből, hanem fizikai hatásokból (hőmérséklet változása, nedvesség változása stb.) eredő terhelő mozgások is érik, amelyek alakváltozásokat okoznak. Ezen hatásokra is feszültségek keletkeznek a szerkezetekben. A terhelés növelésével bekövetkezik egy olyan állapot, amikor a külső és a belső erők egyensúlya megbomlik, az anyag tönkremegy.
Például a vízszintes, két végén alátámasztott épületszerkezetekben (gerendákban) a hajlító igénybevétel hatására belső erők ébrednek. A lehajló gerenda középvonala fölött összenyomódik, itt nyomófeszültség keletkezik, alatta megnyúlik, itt húzófeszültség keletkezik.
A fa mint építőanyag: Természetes előnyök és kihívások
A fa természetes és megújuló építőanyag, vegyszerektől és fosszilis adalékoktól mentes. Így nem csak környezetbarát, de az egészségre is ártalmatlan. Járulékos pozitívum, hogy már önmagában is esztétikus szerkezet alakítható ki belőle. A faanyag magában hordozza a természet sokszínűségét, így az egy termőhelyről származó azonos fafajú választék mechanikai jellemzőiben is jelentős szórás tapasztalható. Ez azt jelenti, hogy két, látszólag teljesen egyforma fából készült elem mechanikai tulajdonságai eltérhetnek.
A faanyag mechanikai tulajdonságai közül kiemelendő a rugalmasság és a szilárdság. A rugalmasság vagy más néven flexibilitás a szilárd testekre jellemző mechanikai tulajdonság. Megmutatja, hogy a külső hatás megszűnése után az anyag képes visszanyerni az alakját és térfogatát. A fa rugalmas anyag, ezért alkalmas különféle eszközök, szerkezetek készítésére. A faanyagban a külső erők hatására belső erők ébrednek, ezeket az erőket igénybevételnek szokás nevezni. Ezek lehetnek időben és felületegységen állandóak (statikus igénybevétel), vagy időben és felületegységen is változók (dinamikus igénybevétel). Egyes szerkezeteket érhetnek egyszerre statikus és dinamikus igénybevételek is.
A flexibilis anyagok minden esetben elszenvednek valamilyen alakváltozást a különböző erők hatására, de ezek megszűnésekor általában visszanyerik kiindulási alakjukat. Ha azonban ezeknek az erőknek a hatására létrejövő terhelés nagyobb, mint a fa rugalmassága által megengedett, akkor az alakváltozás maradandó, és végleges, vagy akár roncsolódás is bekövetkezhet. A különböző fafajok rugalmassága nem egyforma, ezért felhasználhatóságuk is változó. A legrugalmasabbak különleges szerkezetekben is alkalmazhatóak. A rugalmasság ezen kívül függ még a fa korától, a sűrűségtől, a nedvestartalomtól, az anatómiai iránytól. A rugalmasságot ideiglenesen - például gőzöléssel - egy időre meg lehet szüntetni, ezáltal kis erővel maradandó alakváltozás idézhető elő, melyet az anyag a lehűlés után is megtart, rugalmasságát pedig visszanyeri.
A szilárdság azt mutatja meg, hogy mennyire terhelhető egy anyag, roncsolódás és tönkremenetel nélkül. A gyakorlati felhasználás során mindig a tervezett igénybevétel alapján határozzuk meg a teherviselő szerkezetek és elemek elkészítésére használandó fatípusokat és alkalmas keresztmetszeteket. Mindez az egyes fafajok szilárdsági jellemzőinek alapján történhet. Azt a módszert, mellyel kiszámítjuk az elemek és szerkezetek terhelhetőségének a mértékét, méretezésnek nevezzük.
A szilárdságot a rugalmassághoz hasonlóan befolyásolja, hogy a fa nem egynemű anyag. Az egyes fafajok sajátos jellemzői, illetve a szöveti, fizikai adottságai együttesen alakítják az adott faj szilárdsági tulajdonságait. Emellett a külső környezeti hatások, mint a hőmérséklet, a páratartalom és az igénybevétel hossza is jelentős szilárdsági paraméterek.
A faanyagot érő terhelés lehet húzóerő, melyre a húzó vagy szakítószilárdság felel. Ez az igénybevétel létrejöhet a hossztengely mentén vagy arra merőlegesen is. Ez a fajta igénybevétel fánál ritkán fordul elő önmagában, azonban más erők hatására vagy különböző ipari folyamatok során felléphet. Nyomóerők hatására nyomószilárdság alakul ki. Faszerkezeteknél ez a fajta terhelés már gyakrabban fordul elő, főként szálirányban, néhány esetben azonban a vízszintesen fektetett elemeknél szálirányra merőlegesen is jelentkezik. A szilárdsági jellemzők közül leggyakrabban a hajlítószilárdsággal találkozhatunk. Hajlítószilárdságról abban az esetben beszélhetünk, amikor a két végpontján alátámasztott faelemet két különböző és ellentétes irányú terhelés éri. A két terhelés a keresztmetszetben nyomó és húzófeszültséget eredményez.
Nyíró erők hatására a faanyag részei egy képzeletbeli vonal mentén - melyet nyírt felületnek nevezünk- eltolódnak egymáson, ennek ellenállásaként létrejövő nyírószilárdság igyekszik ezt megakadályozni. A nyírószilárdság könnyebben kialakul a hossztengelyre merőlegesen, így érdemes ebben az irányban kialakítani a szerkezeteket. A repedések is elősegítik kialakulását, így különös odafigyelést igényel a faanyag kiválasztása és megmunkálása.
Az utolsó szilárdsági jellemző a csavarószilárdság, mely az anyagra ható forgatónyomaték hatására jelentkezik. Ez a jelenség a faszerkezetnél csak elvétve figyelhető meg.
A faanyag minősítése Nyugat-Európában gyakran gépi osztályozó berendezésekkel történik, ahol minden szálat emberi beavatkozás nélkül vizsgálnak és osztályoznak. Magyarországon a felhasznált fenyő fűrészáru jelentős része külföldről származik, és ezeket a faanyagokat a fűrészüzemek nem minősítik, normál fűrészáruként értékesítik. Jelenleg az országban mintegy 400 fakereskedés működik, amelyek közül mindössze 4 rendelkezik jogosultsággal a szerkezeti faanyagok minősítésére. A gyakran előírt C24 szilárdsági osztály tehát számtalan esetben nincs igazolva, vagyis a Magyarországon megépülő faszerkezetek nagyjából 90%-a szabálytalan. Más építőanyagoknál, mint a tégla, szaniteráru vagy festék, a gyártók (forgalmazók) megfelelő teljesítménynyilatkozatot állítanak ki. A faanyagnál ez legtöbbször jogosulatlanul vagy nem kerül kiállításra. Könnyen ellenőrizhető a hitelesség, mert a kötelezően feltüntetett azonosítószám alapján az internetes böngészőkben visszakereshető a cég jogosultsága a minősítés elvégzésére.
How to determine flexural strength test of concrete || Laboratory Concrete Test #3
Hagyományos építőanyagok: Kő, tégla és agyag
A természetes követ olyan régóta használják az építészetben, mint a fát. A piramisok is tanúskodnak erről. A kőanyagok mechanikai tulajdonságait a felhasználás, beépítés függvényében kell vizsgálni. Az építőipar a kőzeteket jól behatárolható területen alkalmazza. A felhasználás szerint megkülönböztetünk kül- és beltéri felhasználást. A kültéri felhasználás felveti a fagyállóság és az időjárásállóság kérdését. Fagynak kitett helyeken, értelemszerűen, csak fagyálló kőzeteket alkalmazhatunk.
A terméskövekből függőleges teherhordó szerkezeteket (falazatokat, pilléreket), burkolatokat, boltozatokat, boltíveket, konzolokat, díszítő elemeket készítenek. Ezekre a szerkezetekre elsősorban nyomó igénybevételek hatnak, de esetenként kiegészülnek más irányú terhelésekkel. Az áthidalóként alkalmazott kőtömbökre, konzolokra nyíró-, hajlító-, esetenként csavaró igénybevételek hatnak. A burkolatként alkalmazott kövek esetében a koptató igénybevétel a jelentős.
A kőzetek anyagi minőségét keletkezésük körülményei és összetételük együttesen határozza meg. Megmunkálásuk, feldolgozásuk során a mechanikai tulajdonságokat befolyásolni nem tudjuk, csak alaki, esztétikai (felületük megmunkálása), valamint szemmegoszlási viszonyait (pl. kavics osztályozása) módosíthatjuk. A kész kőtermék mechanikai tulajdonságait tehát anyagi minősége befolyásolhatja.
Az építőipari kőzetek másik jelentős csoportja az adalékanyagként alkalmazott kőzetek (homok, kavics). Ezekből a törmelékes-üledékes kőzetekből habarcsot, betont készítenek. Ebben az esetben az igénybevételek általában nem közvetlenül a kőzetszemcsékre (adalékanyagra) hatnak, hanem a kötőanyag által összekötött, tömbösített mesterséges kőre. Az adalékanyagok, a szemcsés kőzetek, szilárdsági jellemző, mechanikai tulajdonságai az aprózódás vizsgálatokkal jól meghatározhatóak.
A tégla és a cserépféleségek a mai építőipar egyik legfontosabb építőanyaga. A vályog készítésének régi módszere szerint az agyagot először megőrlik, utána összekeverik, összegyúrják 15-35% vízzel, amíg homogén anyagot nem kapnak. Néhány napig pihentetik. Ebből a masszából formázzák gépekkel a szabványos méretű téglákat (25 x 12 x 6,5 cm). Utána a téglákat szárítják, a szabad levegőn vagy szárítókban. Különböző téglatípusok léteznek:
- Dísztégla - selyemtégla: Sárga vagy piros színű, mérete olyan mint a hagyományos tégláé.
- Üreges tégla: Hosszirányban szabályos keresztmetszetű lyukak húzódnak, ezért könnyebbek, mint a tömör téglák.
- Blokktégla: Nagyobb a szabványos téglánál, gyorsabban lehet vele falazni.
- Betonblokk: Betonmasszából öntik különböző alakúra.
- Födémtégla: Hasonló, mint az üreges blokktégla, de a keresztmetszetük trapéz alakú. Vasvázas betongerendák közé építik be, majd a támfalra helyezik, és az egészet beöntik betonnal. Így készül az emeletközi födém.
- Szilikáttégla: Szürkésfehér színű.
A cserép tetőzetek borítására szolgál, és hasonlóan gyártják, mint a téglát.
Kötőanyagok és adalékanyagok szerepe
A mészhabarcs az egyik legrégebbi és legismertebb kötőanyag. Mészhabarcsot készítenek belőle oltott mész és homok vízzel való összekeverésével. A mészégetés alapanyaga a mészkő (kalcium-karbonát), mely apró kalcitkristályokból áll. Az égetés során a széndioxid légnemű, távozik, és visszamarad a szilárd halmazállapotú calcium-oxid, az égetett mész. Könnyen felveszi a vizet, ezért száraz helyen kell tárolni. Kisebb mennyiséget műanyag zsákokban tárolunk. Az égetett mész darabos. Az oltott mész úgy készül, hogy az égetett mészhez vizet adagolunk állandó keverés mellett, amíg fehér kásaszerű anyagot nem kapunk.
A cement a betonkeverés során általában kötőanyagként alkalmazott hidraulikus kötőanyag. A cementek négy fontos tulajdonsága alapján minősítik: kötésidő, őrlési finomság, térfogatállandóság, kötőerő. A cementkő víztartalma két részre bontható: elpárologtatható (kapilláris víz) és el nem párologtatható (szerkezeti, és fizikailag kötött víz). Jellemző tulajdonságok: kapilláris vízfelszívás, vízzáróság, fagyállóság.
Mészkövet és agyagot kevernek össze, majd rotációs kemencékben égetik 1400°C-on. Égetés után kőkemény anyagot - klinkert kapnak. Ezt cementmalomban finom, szürkés porrá őrlik. A márga szénsavas mészkőből és agyagból álló sárgás vagy szürke kőzet. Kristályos szerkezetű ásvány, 180°C-on égetik.
Az adalékanyag tömör vagy porózus szerkezetű, természetes vagy mesterséges anyagok halmaza, amelyet a betonban, habarcsban a kötőanyag köt össze. Eredetük szerint természetes és mesterséges adalékanyagokat különböztetünk meg. Természetes adalékanyagok a kőzetek természetes aprózódásából keletkeznek, mint például a homokoskavics. Mesterséges adalékanyagokat ipari hulladékból állítanak elő. Más fajtájú, minőségű adalékanyag szükséges a betonhoz, nehézbetonhoz, ill. a könnyűbetonhoz. Az adalékanyagok legfontosabb jellemzői: szem szerkezeti, szilárdsági, vízzel kapcsolatos, ill. a térfogat és tömeg jellemzők. Adalékanyagok hidrotechnikai tulajdonságai közül a vízfelvétel és a nedvességtartalom a legfontosabb. A beton adalékanyagának vízfelszívása miatti megdermedésének elkerülése érdekében a vízcementtényező szerint szükséges vízmennyiséget a félórás vagy 1 órás vízfelvétellel növelni kell a bedolgozás ideje szerint.
Modern építőanyagok és funkcionális tulajdonságok
A padlók, lépcsők, lépcsőfordulók, pihenők burkolására padlóburkolatot használunk. A különböző festékek is burkolóanyagok. Vannak vizes és olajfestékek, műanyag alapú festékek. Leggyakrabban bitumen - kátrány alapú vízszigetelő anyagot használnak.
A hőszigetelő anyagoknak az a feladatuk, hogy megakadályozzák vagy csökkentsék a hőveszteséget az épületben, hogy a hő ne szökjön át a falakon ki a szabadba. Az épület energiafogyasztása elsősorban a külső fal hőszigetelő teljesítményétől függ, minél jobb az épület külső falának hőszigetelő hatása, annál kisebb az épület energiafogyasztása. Egyes adatok azt mutatják, hogy az épület külső falának hőátadása által okozott energiaveszteség a teljes külső burkolatszerkezet teljes energiaveszteségének 48%-át teszi ki. Különböző hőszigetelő technológiai programok szerint a hőszigetelő anyagokat belső hőszigetelő anyagokra és külső hőszigetelő anyagokra osztják.
Az ásványgyapot jó hőszigetelő tulajdonságokkal, magas hőmérséklet-állósággal, rezgéselnyelő képességgel és hangszigeteléssel rendelkezik, de nagy a vízelnyelő képessége, nem nedvességálló, nincs szilárdsága, és könnyen összeomlik az építési folyamat során. A habosított perlit a perlit, a türkiz és az obszidián, mint fő nyersanyag, bizonyos folyamat után készült, alacsony hővezető képességgel, magas hőmérséklettel szembeni ellenállással, törékeny, gyenge ütésállósággal, elsősorban belső szigetelő töltőanyagokhoz használják. Például nagyszámú üreges tégla szerkezet falépítésénél, az expandált perlittel töltött üreges részben hőszigetelésben, energiatakarékosságban és hőmegőrzésben játszik szerepet.
A műanyag hab szigetelőanyag a fejlesztés kémiai folyamat, a fejlesztés egy új típusú építőanyagok, elsősorban polietilén hab és poliuretán hab két kategóriában. A műanyaghab kiváló hőszigetelő és hőtartó képességgel, jó vízállósággal, magas égésgátló tulajdonságokkal rendelkezik. Jelenleg a hazai építőipar rohamosan fejlődik, bővül a város léptéke, sok projekt van folyamatban, fontos a projekt rugalmassága. A mechatronikai berendezések fejlődésével a 3D nyomtatási technológia is egyre érettebbé válik. A 3D nyomtatási technológia alkalmazása rugalmassága alapján többféle műanyag szigetelőanyag gyártásánál alkalmazható, figyelembe tudja venni a falszigetelés és a külső szigetelés technológia előnyeit.
Ha műanyag termékeket használnak építési burkolóanyagként, olyan tulajdonságokat kell figyelembe venni, mint a súly, statika, hő- és hangszigetelés, időjárás, optikai tulajdonságok, tűzállóság, mechanikai igénybevétel, vegyszerállóság és hőmérséklet-tartomány. Ezek a paraméterek nagyon fontosak egy funkcionális és műszakilag kifogástalan, az alapvető burkolati követelményeknek megfelelő épületburkoló burkolathoz. Könnyű, időjárásálló, korrózióálló, bizonyos anyagszilárdsággal és a hőmérséklet-tartomány normál használatával, a műanyag termékek beszerelésének és tartós használatának biztosítása érdekében; hőszigetelés, hangszigetelés, jó optikai tulajdonságok, az épület belső kényelmének biztosítása érdekében; egy bizonyos szintű tűzállóság és ütési szilárdság, hogy biztosítsák az épület biztonságát vészhelyzet esetén.
A hangszigetelés csökkenti a zajt a helyiségekben, ha az épületen kívül, ha belül keletkeznek.
tags: #epitoanyagok #szilardsagi #tulajdonsagai