Vilka är de mekaniska egenskaperna hos bambu? Det är förmodligen en av de vanligaste frågorna bland europeiska eller amerikanska arkitekter, ingenjörer och byggare. Sådan information är lätt att hitta och tillgänglig för trä, stål, betong eller till och med konstruerade bambuprodukter som golv och paneler, men detta är inte fallet för bambustolpar. Varför?
”De mekaniska egenskaperna hos bambu är ofta två till tre gånger högre än för konventionella timmer. Rättsliga osäkerheter kring universella regler och standarder förhindrar emellertid en bambubom i många delar av världen.”
Bambu består av många olika arter och var och en av dessa bambu arterhar olika strukturella och mekaniska egenskaper precis som träd; Trä i teak, ek eller Balsa har inte samma egenskaper heller. Dessutom kan en enda bambuart visa mycket olika testresultat beroende på ålder och fuktinnehåll i den testade bambusstången, dess ursprung (jord, höjd, klimatförhållanden) och den del av stammen som testas (botten, mitten eller den övre delen av ”trädet”).
En annan viktig orsak till bristen på information är det faktum att bambu stolparsom byggnadsmaterial är fortfarande relativt okända i Europa eller Nordamerika (delvis på grund av att timmerbambuer för byggnadskvalitet främst växer i tropiska länder). Det är först under de senaste 30-35 åren som mekaniska egenskaper hos bambu har testats vetenskapligt.
Varför är mekaniska egenskaper viktiga?
De flesta länder har inga standardbyggnadskoder för bambu vilket gör det svårt för dem som vill använda materialet i konstruktionen. Det finns en slags rättslig osäkerhet kring fastställandet av vissa bambuegenskaper som brandmotstånd, hållfasthetsegenskaper, hållbarhet och så vidare, vilket innebär att det finns ett akut behov av förordningar och standarder.
Styrkaegenskaper för bambu har redan testats av universitet runt om i världen och ger enastående resultat som i många fall är mycket överlägsna konventionella byggnadsmaterial. Emellertid kräver byggnadskodstandarder mer än styrkaegenskaperna för ett material enbart, andra egenskaper att beakta är:
- Hållbarhet
- Brandsäkerhet
- Påverkan på miljön
- Användarsäkerhet
- Energieffektivitet
Brandbeständighet och hållbarhet är områden som fortfarande behöver ytterligare forskning innan en standardbyggnadskod kan utnämnas till bambu. Ändå har viktiga framsteg gjorts genom att införa en internationell ISO 22157- standard för bambus mekaniska egenskaper.
Internationella organisationen för standardisering (ISO)
Internationella organisationen för standardisering, känd som ISO, har utarbetat sin egen standard för att bestämma de mekaniska egenskaperna hos bambu 2004. Detta är ett första och mycket viktigt steg för att få bambustolpar godkända som byggmaterial över hela världen.
ISO 22157-standarden beskriver hur böjhållfasthet, kompression, spänning, skjuvning och hållbarhet måste bestämmas. För de intresserade kan riktlinjerna hittashär.
I den här artikeln presenterar vi flera testresultat från olika källor och på olika bambusarter. Det är viktigt att notera att inte alla tester utfördes enligt ISO 22157-standarden men det ger en allmän uppfattning om de mekaniska egenskaperna hos bambu.
Tryckhållfasthet
Det finns två typer av tryckhållfasthet som måste testas enligt ISO 22157 standard tryckstyrka parallellt med korn och tryckhållfasthet vinkelrätt mot korn. Konstigt nog riktlinjerna enligt ISO 22157 beskriver bara testmetodiken för tryckhållfasthet parallellt med spannmål men ger ingen metod för tryckhållfasthet vinkelrätt mot spannmål. Av den anledningen kommer vi bara att diskutera det förra.
På grund av den naturliga formen av ett ”träd” av bambu, måste tre olika delar av stammen testas: botten, mitt och övre del. Detta är nödvändigt eftersom en bambustam inte har ett kontinuerligt tvärsnitt och det finns skillnader i strukturella egenskaper mellan den nedre delen, som har en större diameter, och den övre delen, som har en mindre diameter.
Testproven kan inte innehålla en nod eftersom resultaten från dessa prover inte skulle ge exakta resultat eftersom noderna är de starkaste områdena i en bambustam. Därför tas testprover från sektionen mellan två noder (internoder), eftersom detta är den svagaste delen av en bambusstång.
För konstruktionsändamål kan endast den nedre, mellersta och övre delen användas som kolumner eller balkar. Den ”ledande” och ”pinne” delen av bambu kulmen anses inte vara användbar i konstruktionen på grund av deras lilla diameter.
Kompressiv styrka hos Guadua angustifolia
Mekaniska egenskaper för arten Guadua angustifolia testades enligt ISO 22157-standarder vid Los Andes universitet i Bogota, Colombia 2010. Tre prover av 2-3-4 och 5 år gammal Guadua bambu användes för att bestämma ålderens inflytande på dess mekaniska egenskaper.
Den genomsnittliga fukthalten i bambuproven (vilket är en viktig parameter) var 59,3%, 56,5%, 56,7% respektive 65,2%. Den genomsnittliga ytterdiametern för den undre delen var 13 cm, av den mellersta delen 12 cm och 10 cm för den övre delen.
| Kompressiv styrka hos Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Age of Bamboo Stems (Years) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Botten | E (N / mm2) | 15500 | 16500 | 17400 | 15200 |
| σ (N / mm2) | 39,9 | 38,1 | 37,6 | 32,1 | |
| Mitten | E (N / mm2) | 14900 | 18 tusen | 16800 | 16500 |
| σ (N / mm2) | 27,2 | 42,1 | 41,5 | 34,7 | |
| Topp | E (N / mm2) | 20 tusen | 17 tusen | 17500 | 18200 |
| σ (N / mm2) | 20,4 | 42,6 | 42,1 | 39,0 | |
Den maximala tryckhållfastheten för Guadua angustifolia observerades i 3-4 år gamla kulmar med ett genomsnitt på 40 N / mm2 (i grönt skick). Tryckstyrkan från 5 år gamla Guadua minskade med cirka 16% jämfört med styrkan hos 3- 4 år gamla Guadua.
Jämför komprimeringsstyrka hos olika bambusarter
Följande tabell ger en översikt över tryckhållfastheten för olika bambusarter. Det är viktigt att notera att inte alla testresultat uppfyller ISO 22157-standarden. Värdena som visas i tabellen är medelvärden, så de nämner inte skillnader i vertikal riktning eller ålder.
| Kompressiv styrka hos olika bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | σ (N / mm2) | E (N / mm2) | p (kg / m3) | MC (%) | Källa |
| Bambusa balcooa | 39,4 – 50,6 | – | – | grön | Kabir et al |
| 51 – 57,3 | – | – | Lufttorka | ||
| 69 | – | 820 | 8,5 | Naik | |
| Bambusa bambos | 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 atter | 24,8 – 28 | – | – | 72,3 | Prawirohatmodjo |
| 31 – 32,9 | – | – | 14,4 | ||
| Gigantochloa macrostachya | 71 | – | 960 | 8 | Naik |
| Guadua angustifolia | 42 | 27 tusen | – | – | Sotela |
| 63,6 | – | – | – | Rwth Aachen | |
| 86,3 | – | – | – | ||
| 62 – 93 | – | – | – | DB Magazine | |
| 56 | 18400 | – | 15 | Eicher | |
| 63,3 | 15190 | – | – | Laroque | |
| 28 | 15 tusen | – | – | 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 | ||
Slutsats:
Bambuens tryckhållfasthet ligger ungefär mellan 40 och 80 N / mm2, vilket är två till fyra gånger värdet för de flesta träslag . Skillnaden i resultat kan förklaras med olika testmetoder och prover som användes. Det är emellertid tydligt att ålder och fuktinnehåll i bambuprover har ett betydande inflytande på bambuens tryckhållfasthet. Bambu med lågt fuktinnehåll har högre tryckhållfasthet än bambu med högt fuktinnehåll.
Brottgräns
Den maximala draghållfastheten för bambu bestäms genom att testa fibrerna (bambusremsor) och inte på hela culm-prover. Liksom med tryckhållfasthet ger ISO 22157 standarden riktlinjer för draghållfasthet parallellt med korn men inte för draghållfasthet vinkelrätt mot korn.
För att testa bambus draghållfasthet används 3 resor från den undre delen, den mellersta delen och den övre delen av hela bambustammen. Varje remsa är mellan 10-20 mm bred, har tjockleken på bambu kulmen och är 100 mm lång. Fuktinnehållet i varje prov måste bestämmas och proverna måste ha en nod. Eftersom nodens fiberriktning är motsatt fiberns riktning för internoden, betraktas noden här som den svagaste punkten för stammen (när man testar tryckhållfastheten är det tvärtom).
Följande tabell visar draghållfastheten för de mest populära bambusarter som används i strukturella tillämpningar.
| Draghållfasthet hos olika bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | σ (N / mm2) | E (N / mm2) | p (kg / m3) | MC (%) | Källa |
| Bambusa balcooa | 164 | – | 820 | 8,5 | Naik |
| Bambusa bambos | 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 atter | 273 – 299,8 | – | – | 72,3 | |
| 247 – 332 | – | – | 14,4 | ||
| Gigantochloa macrostachya | 168 | – | 960 | 8 | Naik |
| Gigantochloa pseudoarundinacea | 177,9 | 27631 | 690 | – | Arce-Lobos |
| 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 | yu |
Slutsats:
Den genomsnittliga draghållfastheten för bambu ligger ungefär 160 N / mm2, vilket ofta är 3 gånger högre än de flesta konventionella timmer för byggnadskvalitet .
Ren styrka
Den maximala skjuvspänningen för bambu är en viktig faktor för att utforma lämpliga snickarsystem och anslutningar. Skjuvspänningar kan uppstå på två sätt, parallellt med kornet och vinkelrätt mot kornet. Återigen ger ISO 22157 standarder endast riktlinjer för att mäta skjuvspänning parallellt med spannmål.
Tre prov från den nedre, mellersta och övre delen av bambustammen testas. Skillnaden den här gången är att hälften av testproven ska ha en nod och den andra hälften inte ska ha en nod.
Varje prov mäts noggrant innan testning. Provstyckets höjd och tjockleken på kulmen mäts vid de fyra zonerna där skjuvningen kommer att inträffa. Detta är viktigt eftersom en bambu kulm inte är enhetlig i tjocklek och provkorsstyckena kanske inte utförs perfekt.
Skjuvstyrka hos Guadua angustifolia
På samma sätt som de testade tryckhållfastheten hos Guadua angustifolia, undersökte Los Andes universitet i Bogota också samma Guadua-prov på skjuvspänning enligt ISO 22157-standarden.
Några bilder av testinställningen visas nedan:
Skjuvhållfastheten för Guadua angustifolia beroende på ålder och plats för testprovet visas i följande tabell:
| Skjuvstyrka hos Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Age of Bamboo Stems (Years) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Botten | t (N / mm2) | 7,2 | 7,4 | 7,5 | 6,6 |
| Mitten | t (N / mm2) | 7,5 | 8,2 | 8,0 | 7,4 |
| Topp | t (N / mm2) | 7,2 | 8,1 | 7,6 | 8,0 |
I likhet med resultaten av tryckhållfasthet erbjuder Guadua mest motståndskraft mot skjuvning i mitten och övre delen av ett 3-4 år gammalt stamprov. Den genomsnittliga skjuvhållfastheten för Guadua angustifolia är 8 N / mm2 (vid en fukthalt av cirka 56,6%).
Jämför skjuvhållfasthet hos olika bambusarter
Skjuvhållfastheten för olika bambusarter listas i tabellen nedan. Återigen kan vi inte bekräfta att all testning utfördes enligt ISO 22157-standarder, men det ger en allmän insikt.
| Skjuvstyrka för olika bambusarter | ||||
|---|---|---|---|---|
| Arter | t (N / mm2) | p (kg / m3) | MC (%) | Källa |
| Bambusa balcooa | 11,9 | 820 | 8,5 | Naik |
| Bambusa bambos | 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 atter | 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 | – | grön | Dickerson | |
Slutsats:
Skjuvspänningen parallellt med kornet är ungefär 10 gånger lägre än tryckhållfastheten och till och med 20 gånger lägre än draghållfastheten för samma bambusart. Fortfarande är skjuvhållfastheten hos bambu ofta dubbelt så stor som värdet av populära träslag .
Böjstyrka
Böjstyrka har ett direkt inflytande på beteendet hos en struktur, det är nödvändigt att förutsäga avböjningen av varje element i en struktur innan den byggs. Den mest använda metoden för att bestämma avböjningen av en balk eller kolonn är fyrpunktsböjningstestet.
Böjstyrka av Guadua angustifolia
Fyrpunktsböjningstestet, enligt kravet enligt ISO 22157-standarden, genomfördes vid Los Andes universitet i Colombia . Testningen utfördes på samma bambustolpar som i testet för bestämning av tryck- och skjuvhållfasthet.
Under detta fyrpunkts böjningstest undersöks elasticitetsmodulen (MOE) och modulus ofrupture (MOR). Resultaten av dessa test visas i följande tabell.
| Böjstyrka av Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Age of Bamboo Stems (Years) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Botten | MOE (N / mm2) | 16900 | 16700 | 17 tusen | 18 tusen |
| MOR (N / mm2) | 93,6 | 88,8 | 86,9 | 86,3 | |
| Mitten | MOE (N / mm2) | 17700 | 15800 | 17 tusen | 18700 |
| MOR (N / mm2) | 84,7 | 91,6 | 103,7 | 86,9 | |
| Topp | MOE (N / mm2) | 16100 | 19400 | 18300 | 15500 |
| MOR (N / mm2) | 107,3 | 97,8 | 103,8 | 107,0 | |
Elasticitetsmodulen för 5 år gamla Guadua angustifolia-stolpar är den största i botten- och mellandelen av stammen. För den övre delen av stammen mäts den högsta elasticitetsmodulen när de är 3-4 år gamla. Brottmodulen är den högsta i den övre delen av stammen, totalt sett kan man dra slutsatsen att Guadua angustifolia har en genomsnittlig böjhållfasthet på 100 N / mm2 .
Jämförelse av böjstyrka hos olika bambusarter
Följande tabell är en sammanfattning för böjhållfastheten för flera bambusarter. Resultaten kan visa små avvikelser eftersom inte alla data erhölls genom fyrpunktsböjningstestet enligt definitionen i ISO 22157    norm. Ändå ger de en allmän uppfattning om bockstyrkan hos olika bambusarter.
| Böjstyrka hos olika bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | MOR (N / mm2) | MOE (N / mm2) | p (kg / m3) | MC (%) | Källa |
| Bambusa balcooa | 62,4 – 85 | 7200 – 10300 | – | grön | Kabir et al |
| 69,6 – 92,6 | 9300 – 12700 | – | Lufttorka | ||
| 151 | 13603 | 820 | 8,5 | Naik | |
| Bambusa bambos | 143 | 14116 | 710 | 9,5 | |
| 35 – 39,3 | 1500 – 4400 | – | – | Gnanaharan | |
| Bambusa nutans | 52,9 | 6700 | – | 88,3 | Inbar |
| 52,4 | 10700 | – | 14 | ||
| 56 – 79 | 8800 – 10000 | – | grön | Sekhar | |
| 76 – 100 | 9300 – 16000 | – | Lufttorka | ||
| 216 | 20890 | 890 | 8 | Naik | |
| Bambusa pervariabilis | 37 | 16400 | – | > 20 | Yu & Chung |
| 80 | 22 tusen | – | <5 | ||
| Bambusa polymorpha | 28,3 | 3100 | – | 95,1 | Inbar |
| 35,5 | 4100 | – | 13,9 | ||
| Bambusa spinosa | 55,4 | – | – | Lufttorka | Espinosa |
| 44,9 | – | – | Lufttorka | ||
| 55 | 10300 | – | Lufttorka | Teodoro | |
| Bambusa tulda | 51,1 | 800 | – | 73,6 | Inbar |
| 66,7 | 1000 | – | 11,9 | ||
| 194 | 18611 | 910 | 8,6 | Naik | |
| Dendrocalamus giganteus | 193 | 16373 | 740 | 8 | |
| Dendrocalamus hamiltonii | 89 | 9629 | 590 | 8,5 | |
| Dendrocalamus membranaceus | 26,3 | 2400 | – | 102 | Inbar |
| 37,8 | 3700 | – | 7 | ||
| Dendrocalamus strictus | 68 | 12 tusen | – | grön | Limaye |
| 107 | 15600 | – | Lufttorka | ||
| 92 – 97 | 13700 – 16000 | – | 12 | ||
| 105 | 13200 | – | 61 | ||
| 98,5 | 13600 | – | 55 | ||
| Gigantochloa apus | 102 | – | – | 54,3 | Prawirohatmodjo |
| 87,5 | – | – | 15,1 | ||
| Gigantochloa atroviolacea | 92,3 | – | – | 54 | |
| 94,1 | – | – | 15 | ||
| Gigantochloa atter | 87,9 – 108,1 | – | – | 72,3 | |
| 117,7 – 127,7 | – | – | 14,4 | ||
| Gigantochloa macrostachya | 154 | 14226 | 960 | 8 | Naik |
| Guadua angustifolia | 53,5 | 7400 | – | – | Gnanaharan |
| 144,8 | 17600 | – | – | Janssen | |
| 74 – 100 | 17900 | – | 15 | Eicher | |
| 46 | 11800 | – | – | Trujillo | |
| 82 | 12500 | 600 | 12,6 | De Vos | |
| 72,6 | 17608 | 640 | 11,4 | Inbar | |
| Melocanna baccifera | 57,6 | 12900 | – | 12,8 | |
| Phyllostachys edulis | 55 | 9600 | – | > 30 | Yu & Chung |
| 51 | 13200 | – | <5 | ||
| 83 | 8400 | 530 | 10,3 | De Vos | |
| Thyrsostachys oliveri | 61,9 | 9700 | – | 53 | Inbar |
| 90 | 12200 | – | 7,8 | ||
Slutsats:
Böjhållfastheten för de flesta bambusarter varierar mellan 50 och 150 N / mm2 och är i genomsnitt dubbelt så stark som de flesta konventionella konstruktionsvirke . Variationer inom samma art orsakas av olika testmetoder, provkvalitet och fuktinnehåll i det testade bambu.
