Hvad er de mekaniske egenskaber ved bambus? Det er sandsynligvis et af de hyppigst stillede spørgsmål blandt europæiske eller amerikanske arkitekter, ingeniører og bygherrer. Sådan information kan let findes og fås til træ, stål, beton eller endda konstruerede bambusprodukter, såsom gulve og paneler, men dette er ikke tilfældet for bambusstænger. Hvorfor?
“Bambus mekaniske egenskaber er ofte to til tre gange højere end traditionelle tømmer. Imidlertid forhindrer juridiske usikkerheder omkring universelle regler og standarder en bambusbom i mange dele af verden.”
Bambus består af mange forskellige arter og hver af dem bambus arterhar forskellige strukturelle og mekaniske egenskaber ligesom træer; Træk af teak, eg eller Balsa har heller ikke de samme egenskaber. Desuden kan en enkelt bambusart vise meget forskellige testresultater afhængigt af alderen og fugtighedsindholdet i den testede bambusstang, dens oprindelse (jord, højde, klimaforhold) og den del af stammen , der testes (bund, midt eller øverste del af “træet”).
En anden vigtig grund til manglen på information er det faktum, at bambusstængersom byggemateriale er stadig relativt ukendt i Europa eller Nordamerika (delvis fordi primær bambus af konstruktionsgrad vokser i tropiske lande). Det er først i de sidste 30-35 år, at mekaniske egenskaber ved bambus er videnskabeligt testet.
Hvorfor er mekaniske egenskaber vigtige?
De fleste lande har ingen standardbyggekoder for bambus, hvilket gør det vanskeligt for dem, der ønsker at bruge materialet i konstruktionen. Der er en slags juridisk usikkerhed omkring bestemmelsen af visse bambusegenskaber, såsom brandbestandighed, styrkeegenskaber, holdbarhed osv., Hvilket indebærer, at der er et presserende behov for regler og standarder.
Styrkeegenskaber til bambus er allerede testet af universiteter over hele verden og giver enestående resultater, som i mange tilfælde er meget bedre end konventionelle byggematerialer. Byggekodestandarder kræver dog mere end styrkeens egenskaber alene, andre egenskaber at overveje er:
- Holdbarhed
- Brandsikkerhed
- Miljømæssig påvirkning
- Brugersikkerhed
- Energieffektivitet
Brandbestandighed og holdbarhed er områder, der stadig har brug for yderligere undersøgelser, før der kan udpeges en standard byggekode til bambus. Ikke desto mindre er der gjort vigtige fremskridt ved at indføre en international ISO 22157- standard for bambus mekaniske egenskaber.
Den internationale organisation for standardisering (ISO)
Den internationale organisation for standardisering, kendt som ISO, har udarbejdet sin egen standard til bestemmelse af de mekaniske egenskaber ved bambus i 2004. Dette er et første og meget vigtigt skridt for at få bambusstænger godkendt som byggemateriale overalt.
ISO 22157-standarden beskriver, hvordan bøjningsstyrke, kompression, spænding, forskydning og holdbarhed skal bestemmes. For de interesserede kan retningslinjerne findesher.
I denne artikel præsenterer vi flere testresultater fra forskellige kilder og på forskellige bambusarter. Det er vigtigt at bemærke, at ikke alle tests blev udført i henhold til ISO 22157-standarden, men det giver en generel idé om de mekaniske egenskaber ved bambus.
Trykstyrke
Der er to typer trykstyrke, der skal testes i henhold til ISO 22157 standard trykstyrke parallelt med korn og trykstyrke vinkelret på korn. Mærkeligt nok beskriver ISO 22157 retningslinjer kun testmetodikken for trykstyrke parallelt med korn, men tilvejebringer ikke en metode til trykstyrke vinkelret på korn. Derfor vil vi kun diskutere førstnævnte.
På grund af den naturlige form af et bambus “træ”, skal 3 forskellige dele af stilken testes: bunden, den midterste og den øverste del. Dette er nødvendigt, fordi en bambusstamme ikke har et kontinuerligt tværsnit, og der er forskelle i strukturelle egenskaber mellem den nedre del, som har en større diameter, og den øvre del, der har en mindre diameter.
Testprøverne kan ikke indeholde en knude, fordi resultaterne af disse prøver ikke ville give nøjagtige resultater, da knudepunkterne er de stærkeste områder i en bambusstamme. Derfor udtages prøver fra sektionen mellem to noder (internoder), da dette er den svageste del af en bambusstang.
Til konstruktionsmæssige formål kan kun bunden, den midterste og den øverste del bruges som søjler eller bjælker. ‘Lead’ og ‘stick’ del af bambus kulmen betragtes ikke som nyttig i konstruktionen på grund af deres lille diameter.
Guadua angustifolias kompressionsstyrke
Mekaniske egenskaber af arten Guadua angustifolia blev testet i henhold til ISO 22157 standarder ved Los Andes University i Bogota, Colombia i 2010. Tre prøver af 2-3-4 og 5 år gammel Guadua bambus blev anvendt til at bestemme påvirkning af alder på dets mekaniske egenskaber.
Det gennemsnitlige fugtighedsindhold i bambusprøverne (som er en vigtig parameter) var henholdsvis 59,3%, 56,5%, 56,7% og 65,2%. Den gennemsnitlige ydre diameter på den nederste del var 13 cm, af den midterste del 12 cm og 10 cm for den øverste del.
| Guadua angustifolias kompressionsstyrke | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Alder på bambusstængler (år) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Bund | E (N / mm2) | 15500 | 16500 | 17400 | 15200 |
| σ (N / mm2) | 39,9 | 38,1 | 37.6 | 32,1 | |
| Mellemøsten | E (N / mm2) | 14900 | 18000 | 16800 | 16500 |
| σ (N / mm2) | 27.2 | 42,1 | 41,5 | 34,7 | |
| Top | E (N / mm2) | 20000 | 17000 | 17500 | 18200 |
| σ (N / mm2) | 20,4 | 42,6 | 42,1 | 39,0 | |
Den maksimale trykstyrke for Guadua angustifolia blev observeret i 3-4 år gamle baldder med et gennemsnit på 40 N / mm2 (i en grøn tilstand). Trykstyrken fra 5 år gammel Guadua faldt med ca. 16% sammenlignet med styrken hos 3- 4 år gamle Guadua.
Sammenligning af trykstyrke for forskellige bambusarter
Følgende tabel giver en oversigt over trykstyrken for forskellige bambusarter. Det er vigtigt at bemærke, at ikke alle testresultater er i overensstemmelse med ISO 22157-standarden. Værdierne vist i tabellen er gennemsnitsværdier, så de nævner ikke forskelle i lodret retning eller alder.
| Trykstyrke af forskellige bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | σ (N / mm2) | E (N / mm2) | ρ (kg / m3) | MC (%) | Kilde |
| Bambusa balcooa | 39,4 – 50,6 | – | – | grøn | Kabir et al |
| 51 – 57,3 | – | – | lufttørre | ||
| 69 | – | 820 | 8.5 | Naik | |
| Bambusa bamboer | 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 | 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 | ||
Konklusion:
Bambus trykstyrke er nogenlunde beliggende mellem 40 og 80 N / mm2, hvilket er to til fire gange værdien af de fleste træarter . Forskellen i resultater kan forklares med de forskellige testmetoder og prøver, der blev anvendt. Det er imidlertid tydeligt, at alder og fugtighedsindhold i bambusprøver har en betydelig indflydelse på bambus trykstyrke. Bambus med lavt fugtighedsindhold har en højere trykstyrke end bambus med højt fugtighedsindhold.
Trækstyrke
Den maksimale trækstyrke for bambus bestemmes ved at teste fibrene (bambusstrimler) og ikke på hele kulmeprøver. Som med trykstyrke giver ISO 22157 standarden retningslinjer for trækstyrke parallelt med korn, men ikke for trækstyrke vinkelret på korn.
For at teste bambus trækstyrke bruges 3 ture fra den nederste del, den midterste del og den øverste del af hele bambusstammen. Hver strimmel er mellem 10-20 mm bred, har tykkelsen på bambus kulmen og er 100 mm lang. Fugtindholdet i hver prøve skal bestemmes, og prøverne skal have en knude. Da knudens fiberretning er modsat fiberens internretning, betragtes knuden her som det svageste punkt på stammen (når man tester trykstyrke, er det omvendt).
Følgende tabel viser trækstyrken for de mest populære bambusarter, der anvendes til strukturelle anvendelser.
| Trækstyrke af forskellige bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | σ (N / mm2) | E (N / mm2) | ρ (kg / m3) | MC (%) | Kilde |
| Bambusa balcooa | 164 | – | 820 | 8.5 | Naik |
| Bambusa bamboer | 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-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 | Yu |
Konklusion:
Den gennemsnitlige trækstyrke for bambus ligger omtrent 160 N / mm2, hvilket ofte er 3 gange højere end de fleste traditionelle træværker i konstruktionskvalitet .
Forskydningsstyrke
Den maksimale forskydningsspænding for bambus er en vigtig faktor for at designe passende snedkeranlæg og tilslutninger. Forskydningsspændinger kan forekomme på to måder, parallelt med kornet og vinkelret på kornet. Igen giver ISO 22157 standarder kun retningslinjer for måling af forskydningsspænding parallelt med korn.
Tre prøver fra den nedre, midterste og øverste del af bambusstammen testes. Forskellen denne gang er, at halvdelen af testprøverne skal have en knude, og den anden halvdel ikke skal have en knude.
Hver prøve måles omhyggeligt før testning. Teststykkets højde og tykkelsen på kulmen måles i de 4 zoner, hvor forskydning vil forekomme. Dette er vigtigt, fordi en bambus kulm ikke er ensartet i tykkelse, og prøvekorsudskæringerne muligvis ikke udføres perfekt.
Skærstyrke af Guadua angustifolia
På samme måde som de testede trykstyrken for Guadua angustifolia, Los Andes University i Bogota undersøgte også de samme Guadua-prøver på forskydningsspænding i henhold til ISO 22157-standarden.
Nogle få billeder af testopsætningen er vist nedenfor:
Forskydningsstyrken for Guadua angustifolia afhængigt af alder og placering af testprøven er vist i følgende tabel:
| Skærstyrke af Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Alder på bambusstængler (år) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Bund | τ (N / mm2) | 7.2 | 7.4 | 7.5 | 6.6 |
| Mellemøsten | τ (N / mm2) | 7.5 | 8.2 | 8,0 | 7.4 |
| Top | τ (N / mm2) | 7.2 | 8.1 | 7.6 | 8,0 |
I lighed med resultaterne af trykstyrken tilbyder Guadua den mest modstand mod forskydning i midten og øvre del af en 3-4 år gammel stamprøve. Den gennemsnitlige forskydningsstyrke for Guadua angustifolia er 8 N / mm2 (ved et fugtighedsindhold på ca. 56,6%).
Sammenligning af forskydningsstyrke for forskellige bambusarter
Forskydningsstyrken for forskellige bambusarter er anført i nedenstående tabel. Igen kan vi ikke bekræfte, at al test blev udført i henhold til ISO 22157-standarder, men det giver en generel indsigt.
| Forskydningsstyrke for forskellige bambusarter | ||||
|---|---|---|---|---|
| Arter | τ (N / mm2) | ρ (kg / m3) | MC (%) | Kilde |
| Bambusa balcooa | 11.9 | 820 | 8.5 | Naik |
| Bambusa bamboer | 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 | – | grøn | Dickerson | |
Konklusion:
Forskydningsspænding parallelt med korn er ca. 10 gange lavere end trykstyrke og endda 20 gange lavere end trækstyrken for den samme bambusart. Stadig er forskydningsstyrken for bambus ofte dobbelt så stor som værdien af populære træsorter .
Bøjningsstyrke
Bøjningsstyrke har en direkte indflydelse på opførelsen af en struktur, det er nødvendigt at forudsige afbøjningen af hvert element i en struktur, før den bygges. Den mest almindeligt anvendte metode til bestemmelse af afbøjningen af en bjælke eller søjle er firepunktets bøjningstest.
Bøjningsstyrke af Guadua angustifolia
Firepunktets bøjningstest, som krævet i ISO 22157-standarden, blev udført på Los Andes Universitet i Colombia . Testningen blev udført på de samme bambusstænger som i testen til bestemmelse af tryk- og forskydningsstyrke.
Under denne fire-punkts bøjningstest undersøges modulus for elasticitet (MOE) og modulus of rupture (MOR). Resultaterne af denne test er vist i følgende tabel.
| Bøjningsstyrke af Guadua angustifolia | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Alder på bambusstængler (år) | |||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | ||
| Bund | MOE (N / mm2) | 16900 | 16700 | 17000 | 18000 |
| MOR (N / mm2) | 93,6 | 88.8 | 86,9 | 86,3 | |
| Mellemøsten | MOE (N / mm2) | 17700 | 15800 | 17000 | 18700 |
| MOR (N / mm2) | 84,7 | 91,6 | 103,7 | 86,9 | |
| Top | MOE (N / mm2) | 16100 | 19400 | 18300 | 15500 |
| MOR (N / mm2) | 107,3 | 97,8 | 103,8 | 107,0 | |
Elasticitetsmodulet for 5 år gamle Guadua angustifolia-poler er den største i bunden og midterste del af stilken. For den øverste del af stilken måles den højeste elasticitetsmodul, når de er 3-4 år gamle. Modulus for brud er den højeste i den øverste del af stammen, generelt kan det konkluderes, at Guadua angustifolia har en gennemsnitlig bøjningsstyrke på 100 N / mm2 .
Sammenligning af bøjestyrke af forskellige bambusarter
Følgende tabel er et resumé af bøjestyrken for flere bambusarter. Resultaterne kan vise små afvigelser, fordi ikke alle data blev erhvervet ved den fire-punkts bøjningstest som defineret i ISO 22157    norm. Ikke desto mindre giver de en generel idé om bøjestyrken for forskellige bambusarter.
| Bøjestyrke af forskellige bambusarter | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arter | MOR (N / mm2) | MOE (N / mm2) | ρ (kg / m3) | MC (%) | Kilde |
| Bambusa balcooa | 62,4 – 85 | 7200 – 10300 | – | grøn | Kabir et al |
| 69,6 – 92,6 | 9300 – 12700 | – | lufttørre | ||
| 151 | 13603 | 820 | 8.5 | Naik | |
| Bambusa bamboer | 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 | – | grøn | Sekhar | |
| 76 – 100 | 9300 – 16000 | – | lufttørre | ||
| 216 | 20890 | 890 | 8 | Naik | |
| Bambusa pervariabilis | 37 | 16400 | – | > 20 | Yu & Chung |
| 80 | 22000 | – | <5 | ||
| Bambusa polymorpha | 28.3 | 3100 | – | 95,1 | Inbar |
| 35.5 | 4100 | – | 13.9 | ||
| Bambusa spinosa | 55,4 | – | – | lufttørre | Espinosa |
| 44,9 | – | – | lufttørre | ||
| 55 | 10300 | – | lufttørre | 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 | 12000 | – | grøn | Limaye |
| 107 | 15600 | – | lufttørre | ||
| 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 | ||
Konklusion:
Bøjningsstyrken for de fleste bambusarter varierer mellem 50 og 150 N / mm2 og er i gennemsnit dobbelt så stærk som de fleste konventionelle træstrukturer . Variationer inden for samme art er forårsaget af de forskellige testmetoder, prøvekvalitet og fugtighedsindhold i den testede bambus.
