FASCINAŢIA STRUCTURILOR DIN LEMN

FASCINAŢIA STRUCTURILOR DIN LEMN

Buletinul AGIR nr. 2/2015 ● aprilie-iunie 59


Șef lucrări dr. ing. Mariana Domnica STANCIU 1, Prof. univ. dr. ing. Ioan CURTU1, Prof. univ. dr. ing. Nicolae ILIAȘ 2

1 Universitatea „Transilvania“ din Brașov, Departamentul de Inginerie Mecanică, 2 Universitatea din Petroşani

REZUMAT. Lemnul și produsele pe bază de lemn sunt folosite din timpuri imemoriale, împărţind cu piatra și argila gloria de a fi prilejuit nașterea primelor unelte, a primelor locuinţe, a primelor mijloace de apărare, a primelor instrumente muzicale și artistice, articole sportive ș.a. Lemnul este adâncit în viaţa omului, încât a apărut o adevărată „civilizaţie a lemnului”, lemnul având o veritabilă aventură în viaţa societăţii. Civilizaţia lemnului este premergătoare metalului și betonului armat, supravieţuind până în zilele noastre când masele plastice și de sinteză au început să-i ia locul. Totuși structurile din lemn sunt impresionante și fascinante atât prin aspectul maiestos cât și prin priceperea și înţelegerea lemnului ca structură, proprietăţi mecanice, fizice, chimice. Lemnul îl găsim în peste 10 000 de produse care au generat zeci de meșteșuguri, importante ramuri industriale, domenii artistice cu puternice rădăcini spirituale, culturale, toate adăugându-se la zestrea de aur a popoarelor ce l-au îmbrăţișat, venerat, studiat, modelat. Lemnul este o spectaculoasă manifestare a materiei, este verbul care conjugă existenţa noastră materială, nu este substantiv ci substanţă, este structura care pulsează viaţa, emoţia, curajul, prosperitatea. Lemnul ascunde lumina deși nu este lumina, lemnul este subiect de cercetare, lemnul este unul din elementele vitale, astrale ce guvernează viaţa, destinul oamenilor. Lucrarea prezintă sintetic elemente de civilizaţie a lemnului, diversitate și fascinaţie a structurilor din lemn, elemente privind proprietăţile fizico-mecanice ale lemnului, macrostructura și microstructura lemnului.

Cuvinte cheie: material anizotrop, creativitate, structuri din lemn.

ABSTRACT. Wood and wood-based products are used from time immemorial, sharing with stone and clay, the glory of being occasioned the birth of the first tools, the first housing, the first defenses, the first musical instruments and artistic, sporting goods etc. . Wood is deep in human life that there was a real "wood civilization" wood having a real adventure in society. Civilization is run-metal timber and reinforced concrete, surviving until today when plastics and synthetic began to take place. However wooden structures are impressive and fascinating both by majestic appearance and the skill and understanding wood structure, mechanical properties, physical, chemical. The wood is found in over 10,000 products generated dozens of crafts, key industries, areas with strong spiritual roots artistic, cultural, all adding to the golden heritage of the peoples they had embraced, revered, studied, modeled. Wood is a spectacular manifestation of matter, is our material existence conjugated verb, not a noun but the substance is the structure of pulsating life, emotion, courage, prosperity. Although not hide the light wood light wood is research topic, wood is one of the vital elements that govern the astral life, human destiny. This paper summarizes the elements of civilization of wood, diversity and fascination of wooden structures, elements on the physico-mechanical properties of wood, macrostructure and microstructure of wood.

Keywords: anisotropic material, creativity, wood structures.

1. INTRODUCERE

Încă din cele mai vechi timpuri, omul a utilizat în mod intuitiv, senzorial ritmurile naturii şi a propriilor trăiri pentru a exprima stările sufleteşti legate de diferite activităţi, ritualuri şi ceremonii. Fiind strâns legată de planeta pământ prin esența sa, existența umană nu a putut fi concepută fără piatră, argilă, lemn, apă și foc, pulsația lemnului regăsindu-se în viața omului atât de-a lungul evoluției sale antropo-logice, cât și individuale, fapt pentru care se poate afirma că epopeea lemnului este premergătoare metalului și betonului armat supraviețuind până în timpurile noastre, chiar în condițiile dezvoltării unor noi materiale proiectate de om (mase plastice, produse de sinteză, compozite).

Aventura lemnului începe în natură, în pământ unde informația genetică concentrată în sămânța scuturată sau purtată de vânt ajunge. Condițiile pedoclimatice favorabile vor genera dezvoltarea și materializarea informației genetice în plăntuța care peste ani va deveni un arbore puternic și viguros. Pădurea, cel mai complex ecosistem de pe Terra, este o bogăție naturală ce asigură în principal lemnul, cu largi utilizări indispensabile omului. În același timp ea este o veritabilă uzină de sănătate si echilibru ecologic, prin aceea că este garant al calității apei și aerului, protector al localităților și infrastructurilor, fixează solul și malul apelor, adăpost pentru nume-roase specii de floră și faună, spațiu de relaxare etc.

Epopeea lemnului în cultura și civilizația umană se constituie într-o aventură nesfârșită a omului de a transforma în știință misterul naturii îngemănat în

CREATIVITATE. INVENTICĂ. ROBOTICĂ


fibra lemnului, de a proiecta și prelucra biomasa în produse utilizate atât în gospodărie, cât și în industrie, având ramificații adânci în viața spirituală, culturală și economică a numeroaselor popoare.

Lemnul este una dintre cele mai spectaculoase manifestări ale materiei, este structura care pulsează viața, emoția, curajul și prosperitatea. Din falnicul arbore se prelucrează grinzi, cherestea, plăci din așchii de lemn, placaje, grinzi stratificate încleiate, celuloză și hârtie, iar tehnologiile moderne mecano-termo-chimice au dus la peste 10000 de produse pe bază de lemn. Lemnul este expresia complexității mirifice a structurii macroscopice, microscopice și submicroscopice (fig. 1). Prin structura sa macro şi microscopică, lemnul reprezintă un material compozit natural, format din fibre (traheide-la răşinoase, vase – la foioase) şi matricea (lignina). Din punct de vedere chimic, lemnul este format din celuloză, hemicelu-loze (galactoglucomanan, arabinoglucuronoxylan, glucuronoxylan, glucomanan), lignină şi substanţe extractive (ceruri, grasimi, tanini, răşini etc.). Consti-tuirea peretelui celular se realizează prin agregarea tuturor elementelor structurale din fibra de celuloză: de la catenele macromoleculare de celuloză la micela (cristalitul) alcătuită din cca 100 catene macro-moleculare de celuloză, la microfibrila formată din cca 10-24 micele, respectiv cca. 2000 catene macro-moleculare de celuloză, la fibrila compusă din cca 250 de microfibrile, respectiv cca. 5000 de micele sau cca 500000 catene macromoleculare de celuloză constituind astfel peretele secundar al membranei

celulare vegetale (fig. 2) intercalate cu substanţele pectice (Petrovici și Popa 1997). Microfibrilele sunt dispuse sub formă de lamele cu orientări diferite faţă de axa longitudinală, compunând astfel structura peretelui celular asemeni unui material compozit stratificat. Cercetările privind microstructura lemnului au relevat faptul că celulele lemnului formează o structură neregulată de tip fagure (honeycomb) – în secţiunea transversală şi o structură de tuburi prismatice în secţiunea longitudinală.

2. EPOPEEA LEMNULUI ÎN STRUCTURI INTELIGENTE

Lemnul este verbul care conjugă existența noastră materială. Lemnul nu este substantiv ci substanță. Lemnul este ideea care unește forma și structura în același timp. Lemnul a înmărmurit toată istoria clipei în același timp. Lemnul este râvnit, deși nu poate fi stăpânit. Lemnul are o frumusețe specifică ce nu scapă ochiului. Lemnul, în forma sa brută (bușteanul) sau prelucrat până la nivel de artă, a fost materialul care l-a purtat pe om pe mări, oceane, cât și pe uscat. Astfel, aventura lemnului în structurile de nave este fascinantă și misterioasă căci au rămas puține sunt dovezile în acest sens. Informațiile despre utilizarea lemnului în diferite construcții navale sau aviatice au fost extrase din diverse surse (literatură, pictură, sculptură etc.) (figurile 2 și 3).

Fig. 1



Fig. 2

De la naștere și până la moarte, viața omului este împletită cu cea a lemnului. În legile nescrise ale poporului nostru, exista un precept pe care toți tinerii erau învățați să-l respecte: să construiască o casă, să sădească un pom și să crească un copil. Parcurgerea acestor etape dovedeau maturizarea lor ca oameni ai comunității. De asemenea, îndeplinirea acestui precept constituia și constituie o metodă de perpetuare a vieții și sănătății planetei. Fie că sunt construite integral din lemn sau din combinația piatră (argilă, mai nou că-rămidă/beton) – lemn, locuințele constituie o necesitate a zilelor noastre, un loc de refugiu și izolare. Lemnul este utilizat nu numai în structurile de rezistență ale construcțiilor civile sau industriale, ci și ca element de acoperire, ca element decorativ sau auxiliar. Propri-etățile lui termice și fono-izolante, căldura emanată de

structura sa anatomică, textura și apropierea de natură îl face să fie unul dintre cele mai apreciate materiale de construcții (figurile 3 și 4). De la structuri simple, din lemn rotund, la case din lemn ecarisat, cu prelucrări superioare, toate construcțiile din lemn rezonează cu subconștientul ancestral al omului întrucât lemnul se găsește în ființa noastră.

Valoarea ambientală a lemnului și versatilitatea lui este recunoscută și apreciată prin utilizarea acestuia atât în construcții rustice cât și într-un mediu elegant și pretențios, în biblioteci, birouri, centre comerciale, arene sportive, spații de recreere etc. (fig. 4). Mai mult decât atât, în prezent se observă o reîntoarcere a arhitecturii ambientale către acest material nobil – lemnul mai ales datorită calităților sale energetice, ecologice.

Fig. 3

Fig. 4



Figura 5.

Fig. 6, a

Fig. 6, b

Valoarea adăugată a lemnului utilizat în diverse aplicații este dată de următoarele aspecte: acest ma-terial este regenerabil și reciclabil; reduce consumul energetic având proprietăți termo și fonoizolante ceea ce duce la un nivel scăzut al consumului de energie; este un material nepoluant atât în faza de prelucrare, cât și în exploatare, comparativ cu alte materiale din construcții cum ar fi oțelul, betonul, materialele compozite pe bază de rășini sintetice; este un material economic întrucât valențele sale estetice duc la reducerea consumului de materiale de finisare; este singurul material valorificat în între-gime – deșeurile sub formă de rumeguș, făină de lemn, talaș, fibre și așchii sunt utilizate fie în producerea de materiale lingocelulozice compozite (PAL; PFL, OSB, MDF etc.), fie sub formă de brichete și peleți pentru ardere, fie pentru extragerea celulozei, fie în agricultură pentru realizarea composturilor. Provo-

cările cercetătorilor în domeniul utilizării lemnului în construcții, mobilier, componente auto, aviație, ambarcațiuni, instrumente muzicale, articole sportive etc. sunt date de anizotropia și neomogenitatea struc-turii, variația dimensională a lemnului ca urmare a variației de umiditate, influența negativă a umidității lemnului asupra proprietăților mecanice, defectele naturale sau cauzate de insecte, putrezirea și infla-mabilitatea lemnului. Lemnul oferă, încă, posibilităţi nesfârşite de studiu şi teorii nedesluşite pentru acesta. Un domeniu deosebit de important în care supremația lemnului asupra altor materiale nu poate fi contestată, este cel al construcțiilor civile și indus-triale – administrative / comunitare. Astfel, pentru structuri de rezistență, portante, acesta se utilizează fie sub formă de lemn masiv, fie sub formă de pro-duse pe bază de lemn obținute în urma unor prelucrări mecanice, chimice și termice. Lemnul rotund, obținut



din trunchiurile arborilor după secționare și cojire este valorificat în diverse construcții – locuințe (cabane), poduri (fig. 5). Debitarea și prelucrarea superioară a lemnului rotund se materializează prin obținerea lemnului ecarisat, a cherestelei – aceasta din urmă fiind integrată în structuri de acoperiș, la realizarea pereților, a planșeelor, pardoselilor, ca elemente de acoperire sau în producerea de uși și ferestre.

Materialele pe bază de lemn (lignocelulozice) se prezintă sub diferite forme – lemn stratificat, placaj, panel, plăci din așchii de lemn (PAL) – specifice pentru construcții fiind plăcile de exterior presate perpendicular pe fețe, plăcile de interior presate perpendicular pe fețe și cele extrudate, plăci din fibre de lemn (PFL) cu densități diferite. Produsele stratificate din lemn au fost patentate pentru prima dată în germania, în Wiemar, 1872, de către Otto Hetzer, ulterior, în anul 1909, inginerii elvețieni Terner și Chopard au cumpărat licența, începând producția de glulam și utilizarea acestuia în numeroase proiecte. În anul 1934, Max Hanisch ucenicul lui Hetzer deschide în Wisconsin o fabrică producătoare de lemn lamelat stratificat. În prezent, acest tip de produs din lemn încântă locuitorii și turiștii diferitelor orașe de pe mapamond sub forma unor construcții de utilitate publică – biserici, arene sportive, biblioteci, pavili-oane, parasolare, poduri, zone de agrement, săli de conferințe etc. (figurile 6, a și b).

De la grinzi drepte, cu secțiune constantă, la grinzi cu dublă sau simplă pantă sau grinzi bume-rang a căror parte inferioară este relativ mare pentru a prelua eforturile mari de întindere perpendiculară pe fibre, la grinzi cu zăbrele sau cadre triplu arcuite potrivite pentru construcții cu deschideri mari (între 10 m și 40 m), cadre curbe cu pereți verticali sau arce triplu articulate, circulare sau parabolice, pre-văzute cu tiranți din metal sau lemn, toate aceste

semifabricate prezintă proprietăți mecanice supe-rioare lemnului masiv (fig. 7). Aceste structuri compozite laminate se caracterizează prin: orientarea paralelă a fibrelor cu axa grinzii; utilizarea superi-oară a cherestelei de mici dimensiuni, dispuse sub formă de lamele orizontal sau vertical, contribuind la disiparea defectelor; includerea lemnului de diferite specii și calități. În construcții, elementul de bază este îmbinarea. Proiectanții de structuri din lemn știu și aplică principiul „cine stăpânește îmbinarea, stăpânește și structura”. Îmbinările pot fi fără ele-mente metalice sau cu elemente metalice (fig. 8). Îmbinările trebuie verificate experimental și/sau analizate cu metoda elementelor finite (fig. 9). Ele-mentul caracteristic al unei îmbinări îl constituie fluxul forțelor și energia de deformație pe care o poate absorbi aceasta (fig. 10).

Un loc aparte în construcțiile din lemn îl reprezintă structurile sferice din bare de lemn caracterizate prin volum mare și îmbinări cu noduri. Aceste cupole se recomandă să se folosească pentru construcţii care trebuiesc asamblate rapid, în situaţii de urgenţă (figurile 11, a și b).

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9



Fig. 10

Fig. 11, a

Fig. 11, b

Structurile trebuie să fie suporturi pentru în-velitori uşoare: folii, prelate, stuf, cetină, paie. Supe-rioritatea acestui concept este evidenţiată prin aspecte cantitative date de rezistenţele la solicitări mecanice de orice fel, de aspecte calitative cauzate de soluţiile constructive, şi de tehnologii de con-struire a suprafeţelor curbe, dar şi de aspecte de ordin economic. Se poate afirma că această structură se poate constitui într-o metodă generală de pro-iectare a suprafeţelor curbe, metodă care trebuie luată în considerare în paralel cu orice altă metodă similară. Ea trebuie să intre în arsenalul de cu-noştinţe de specialitate a celor care se ocupă de construcţiile din lemn şi nu numai.

3. CONCLUZII

Materialele evoluează. Viața societății este legată de materiale. Plecând de la structura mirifică a lemnului masiv s-au conceput materiale compozite lignocelulozice care, în funcție de elementele de ranforsare (fibre, așchii, furnire) și matricea folosită (naturală sau artificială) ajung la performanțe remar-cabile: greutatea specifică redusă, rezistențe ridicate,

stabilitate dimensională, izolare termică și/sau acus-tică sporite, varietate a formei, grosimilor, cu costuri relativ reduse. Compozitele lignocelulozice lărgesc arealul de folosire industrială: panouri și piese din structura interioară a caroseriilor auto, a structurilor aerospațiale, la vagoane de cale ferată, construcții agrozootehnice ș.a. Celuloza, hemiceluloza din structura lemnului le găsim în industria hârtiei și cartoanelor. De asemenea, lemnul este materialul care marchează copilăria – de la leagănul din lemn, spații de joacă pentru copii, jucării ecologice, la creioanele și rechizitele școlare, și chiar produse IT moderne. Lemnul este în viața noastră, este ambien-tul în care ne simțim bine, ne legăm de natură. Lucrarea a sintetizat câteva aspecte privind struc-turile din lemn utilizate în construcţii, realizând un periplu printre numeroasele structuri tradiţionale şi moderne în care lemnul înnobilează şi este înnobilat.

BIBLIOGRAFIE

[1] Barbu, M.C. (2002). MDF – Plăci din fibre de lemn. Bazele producției. Ed. Univ. Transilvania din Brașov, România;



[2] Bodig, J.,(1982). Mechanics of wood and wood com-posites. Van Nostradam Reinhold Company, New York.

[3] Botis M., Curtu I., Stanciu M. D., Floroiu M., Coman M., Terciu O.: Researches regarding FEM analysis of stress and strain state from the structure of wooden churches, in Proceedings of 1o Congresso Ibero-Latino Americano da Madeira na Construçao, Coimbra, Portugalia 7 – 9 iunie 2011, ISBN 987-989-96461-2-4, p. 169 - 170, https:// www.dec.uc.pt/cimad11/en/

[4] Congnard, P. (1989). Les applications industrielles des materiaux composites. Editions du Montieur, Paris.

[5] Curtu, I., Ghelmeziu, N. (1984). Mecanica lemnului și a materialelor pe bază de lemn. Ed. Tehnică București.

[6] Curtu, I., ș. a. (1998). Wooden structure of churches of Transilvania. Proc. of Wood Conference on Timber Engineering. Montreux, Lausanne, 17 – 20 august 1998, Vol 2., p. 388-395.

[7] Curtu I., Dateș R. N, Stanciu M.D., Cosereanu C., Modeling rheological behavior of the bolted joints used in wood constructions in Proligno, vol. 9, nr. 4/2013 (decembrie), ISSN 2069-7430, p. 587-593, ISSN –L 1841-4737, Indexata CABI, EBSCO, DOAJ, DRJI, p. 60-68

[8] Curtu I., Stanciu M. D., Floroiu M., Coman M.: The wooden churches of Maramures – elements of timber civilization in Romania, in Proceedings of 1o Congresso Ibero-Latino Americano da Madeira na Construçao, Coimbra, Portugalia 7 – 9 iunie 2011, ISBN 987-989-96461-2-4, p. 67-69, https://www.dec.uc.pt/cimad11/en/

[9] Diaconu C., Curtu I., Cosereanu C., Moraru Gh., Stanciu M. D., Large curved surface sustained by 3D spherical structure formed by 90 equal wooden bars, in Proceedings of 1o Congresso Ibero-Latino Americano da Madeira na Construçao, Coimbra, Portugalia 7 – 9 iunie 2011, ISBN 987-989-96461-2-4, p. 111 – 112 , https://www.dec.uc.pt/ cimad11/en/

[10] *** Colecția Meridiane Forestiere, Nr. 5/2013, Nr. 2/2014, www.forestieri.ro

[11] *** Branchlines – Newsletter Vol . 24/3/2013, UBC – Forestry, http://www.forestry.ubc.ca/branchlines/

[12] *** Das grosse Buch von Holz (1977), Schler Verlag, Munchen / The International book of wood (1976), MBPubl. Ltd Londra.

[13] *** Holz-Lexikon (1993), DRW - Verlag, Stuttgart, Germania.

Despre autori

Șef lucrări dr. ing. Mariana Domnica STANCIU Universitatea „Transilvania” din Braşov

Este absolventă a Facultății de Industria Lemnului, Universitatea „Transilvania“ din Brașov, în 2008 a obținut titlul de master inginer în Dinamica Structurilor Mecanice și titlul de doctor în inginerie mecanică în anul 2009. A făcut studii postdoctorale la Universitatea „Transilvania“ din Brașov în perioada 2010-2013. A participat la numeroase simpozioane și conferințe naționale și internaționale. A publicat încă din timpul facultății și al doctoratului o serie de lucrări și articole științifice (peste 95). Este membră în echipele de cercetare ale unor contracte științifice și director de proiect al unui contract științific de tip TD. E-mail: [email protected]

Prof. univ. emerit dr. ing. dr. h. c. Ioan CURTU Universitatea „Transilvania” din Braşov

A absolvit Facultatea de Industrializarea Lemnului; doctor inginer din anul 1973; conducător ştiinţific de doctorat din 1988, în specialitatea Rezistența materialelor, elasticitate şi plasticitate; conducător științific la 23 teze de doctorat finalizate; Doctor Honoris Causa, profesor emerit al Universităţii „Transilvania“ din Braşov, deţinător al Premiului „Traian Săvulescu“ al Academiei Române (1990). A efectuat studii şi cercetări în domeniul rezistenţei, elasticităţii şi testării lemnului şi al compozitelor lignocelulozice, materializate în peste 500 de articole şi lucrări ştiinţifice publicate la conferinţe internaţionale, în baze de date şi la simpozioane naţionale. A publicat la edituri centrale peste 24 de cărţi, iar pe plan local, 17 manuale universitare. Este membru titular al Academiei de Ştiinţe Tehnice din România şi preşedintele Filialei Braşov a ASTR. Este membru titular al Academiei de Ştiinţe ale Naturii a Federaţiei Ruse, Moscova. E-mail: [email protected]

Prof. univ. dr. ing. Nicolae ILIAȘ Universitatea din Petroșani

Absolvent al Institutului de Mine din Petroşani, obţinând în 1958 diploma de inginer de mine; doctor inginer din anul 1964; din 1972 profesor universitar şi conducător ştiinţific de doctorat din 1973. A publicat peste 300 de studii şi articole în reviste din ţară şi din străinătate; autor şi coautor a peste 20 de tratate şi monografii şi a peste 30 de brevete de invenţii. Este membru în diferite organisme internaţionale (Centrul Internaţional de Informaţii Ştiinţifice şi Tehnice – Moscova, Comitetul Internaţional Minier, Comitetul Balcanic Minier, Societatea Profesorilor Minieri, ș.a.) şi membru al: Academiei de Ştiinţe Miniere din Rusia, Academiei de Ştiinţe naturale din Rusia, Academiei de Ştiinţe Miniere din Ucraina; evaluator internaţional de proiecte. Este Doctor Honoris Causa al mai multor universităţi din Rusia, Ucraina, Bulgaria, Ungaria şi România. Este preşedinte de onoare al Fundaţiei „Ingineria şi medicina în protecţia omului“, membru în Comitetul director al Fundaţiei „Sfânta Maria“. Distincţii principale: Ordinul naţional „Steaua României“ în grad de ofiţer şi „Crucea patriarhală“.

FASCINAŢIA STRUCTURILOR DIN LEMN

Documents

Transcript of FASCINAŢIA STRUCTURILOR DIN LEMN