Wat zijn de Mechanische Eigenschappen van Bamboe?

Geschreven door Stéphane Schröder 15-11-2016 0 Reactie(s) Over Bamboe,

Wat zijn de mechanische eigenschappen van bamboe? Het is waarschijnlijk een van de meest gestelde vragen door architecten, ingenieurs en bouwondernemers die geïnteresseerd zijn om bamboe te gebruiken als bouwmateriaal. De materiaal eigenschappen voor hout, staal, beton en zelfs bamboe halffabricaten zoals vloeren en bamboe plaatmateriaal zijn reeds lange tijd beschikbaar maar voor bamboepalen is dat niet het geval. Waarom?

"De sterkte eigenschappen van bamboe zijn vaak twee tot drie keer beter dan die van conventioneel hout. Wettelijke onzekerheden rond bouwcodes en normeringen bemoeilijken echter het gebruik van bamboepalen als constructief bouwmateriaal in Europa."

Bamboe is een verzamelnaam voor meer dan 1575 verschillende plantensoorten die behoren tot de familie van de grassen (Gramineae). Elk van die bamboesoorten heeft verschillende structurele en mechanische eigenschappen, net zoals dat ook het geval is bij conventionele houtsoorten zoals bv teak, eik, balsa, etc. Bovendien kunnen de mechanische eigenschappen van één enkele bamboesoort ook sterk variëren. Die verschillen zijn toe te wijden aan de leeftijd van de bamboestam, het vochtgehalte, de groeiomstandigheden (klimaat, hoogte, bodemgesteldheid), en op welk deel van de bamboestam de testen worden uitgevoerd.

Omdat de meest geschikte bamboesoorten voor constructieve doeleinden afkomstig zijn uit tropische landen, is het dikwijls moeilijk om de exacte groeiomstandigheden te kunnen achterhalen en goed testmateriaal te bekomen. Dit heeft als gevolg dat verschillende onderzoeken vaak uiteenlopende resultaten opleveren waardoor het gedrag van het materiaal in bepaalde situaties nog niet met zekerheid is gekend.

Waarom zijn mechanische eigenschappen belangrijk?

Bamboe buigtest
Bamboe buigtest | Foto: Pablo Acevedo

In Europa bestaat er nog geen normering (eurocode) voor bamboepalen als constructief bouwmateriaal. Het ontbreken van zo'n bamboe bouwcode maakt het moeilijk voor diegenen die met het materiaal willen gaan bouwen waardoor er dringend behoefte is aan duidelijke regels en normen.

De reeds uitgevoerde testen op bamboe ivm druksterkte, treksterkte en buigsterkte zijn veelbelovend en vertonen meestal veel betere resultaten in vergelijking met conventionele bouwmaterialen. Er zijn echter nog andere factoren die moeten onderzocht worden alvorens er een wettelijke bouwcode kan worden toegekend aan bamboepalen als constructief bouwmateriaal. Deze andere eigenschappen zijn:

  • Duurzaamheid
  • Brandveiligheid
  • Invloed op het milieu
  • Gebruiksvriendelijkheid
  • Energie-efficiëntie

Vooral op het gebied van brandwerendheid en duurzaamheid is er nog verder onderzoek verreist. Desalniettemin is er de laatste jaren belangrijke vooruitgang geboekt door de invoering van een internationale ISO 22157 standaard.

De Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO)

De Internationale Organisatie voor Standaardisatie, kortweg ISO heeft in 2004 een eigen norm opgesteld voor het bepalen van mechanische eigenschappen van bamboe. In de ISO 22157 norm worden niet enkel de doorbuiging, druk, trek en afschuiving aangehaald als belangrijke eigenschappen, maar ook het vochtgehalte is een relevante parameter.

In dit artikel presenteren we een aantal testresultaten van verschillende bronnen en van verschillende soorten bamboe. Het is belangrijk op te merken dat niet alle testen werden uitgevoerd volgens de ISO 22157 norm maar het geeft wel een goed algemeen beeld. Voor de bamboesoort Guadua angustifolia, beter bekent als de sterkste bamboe ter wereld, zijn er in Colombia wel testen uitgevoerd volgens de ISO 22157 norm. De resultaten hiervan lees u iets verder op.

Druksterkte

Delen van een bamboestam
Opbouw van een bamboestam

Om aan de Europese regelgeving te voldoen moeten er volgens de ISO 22157 norm twee soorten druksterkte worden getest, namelijk druksterkte evenwijdig aan de vezelrichting en druksterkte loodrecht op de vezelrichting. Vreemd genoeg beschrijft ISO 22157 alleen de testmethode evenwijdig aan de vezelrichting, en voorziet het nog geen methodologie voor druksterkte loodrecht op de vezelrichting.

Omwille van de natuurlijke vorm van de bamboestam zal er niet één proefstuk van een stam getest worden, maar drie verschillende proefstukken per stam. Er wordt een proefstuk van het onderste deel van de stam genomen, van het middelste deel en van de top van de stam. Dit is noodzakelijk omdat een bamboestam geen continue dwarsdoorsnede heeft en er verschillen zijn in structurele eigenschappen tussen het onderste deel, dat een grotere diameter heeft, en het bovenste deel, dat een kleinere diameter heeft.

Het proefstuk mag geen knoop bevatten, omdat de resultaten op deze proefstukken geen getrouw beeld zouden geven. De knopen zijn immers de sterkste zones (bij belasting op druk) omwille van de vezelstructuur. Er wordt altijd een proefstuk genomen tussen twee knopen, omdat dit de zwakste zone is van de bamboestam.

Als bamboepalen gebruikt worden als kolom of als ligger dan kunnen enkel het onderste, middelste en bovenste gedeelte gebruikt worden voor deze constructieve toepassingen. De kop en de pijp van de stam worden niet gebruikt voor constructieve toepassingen omwille van de kleine buitendiameter.

Druksterkte en elasticiteitsmodulus van Guadua Bamboe (G. angustifolia)

In 2010 werden aan de Los Andes Universiteit in Bogota, Colombia de mechanische eigenschappen van de bamboesoort Guadua angustifolia getest volgens de ISO 22157 norm. Om de invloed van ouderdom van de bamboestam op de mechanische eigenschappen te onderzoeken werden bamboestammen beproefd van twee, drie, vier en vijf jaar oud.

Opstelling bamboe druksterkte test
Opstelling bamboe druksterkte test

De respectievelijke vochtgehaltes van de bamboestammen waren 59,3%, 56,5%, 56,7% en 65,2%. Het is belangrijk om deze vochtgehaltes te vermelden omdat het vochtgehalte een belangrijke parameter is voor de sterkte eigenschappen van de bamboestam. De gemiddelde buitendiameter van het onderste deel van de bamboestam bedroeg 13 cm, van het middelste gedeelte 12 cm en van het bovenste gedeelte 10 cm.

Druksterkte en elasticiteitsmodulus van Guadua angustifolia
(evenwijdig aan de vezelrichting)
  Leeftijd van de bamboestam
2 jaar 3 jaar 4 jaar 5 jaar
Onder E (N/mm²) 15500 16500 17400 15200
σ (N/mm²) 39.9 38.1 37.6 32.1
Midden E (N/mm²) 14900 18000 16800 16500
σ (N/mm²) 27.2 42.1 41.5 34.7
Boven E (N/mm²) 20000 17000 17500 18200
σ (N/mm²) 20.4 42.6 42.1 39.0

De maximale druksterkte voor Guadua angustifolia (in groene toestand) is waargenomen in 3-4 jaar oude stammen met een gemiddelde druksterkte van ongeveer 40 N/mm² . De druksterkte van 5 jaar oude Guadua nam af met ongeveer 16% vergeleken met de druksterkte van 3- 4 jaar oud Guadua Bamboe.

De druksterkte van verschillende bamboesoorten vergelijken

In de volgende tabel wordt een overzicht gegeven van de druksterkte van verschillende soorten bamboe. Het is belangrijk om te vermelden dat niet alle resultaten bekomen zijn met de proefmethode zoals voorgeschreven in de ISO 22157 norm. De resultaten moeten gezien worden als gemiddelde waarden waarbij er meestal geen rekening is gehouden met het verschil in leeftijd of hoogterichting van de bamboestam.

Druksterkte van diverse bamboesoorten
Bamboesoort Druksterkte
σ (N/mm²)
E - modulus
(N/mm²)
Dichtheid
ρ (kg/m3)
Vochtgehalte
(%)
Bron
Bambusa balcooa 39.4 - 50.6 - - groen Kabir et al
51 - 57.3 - - droog
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 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

Conclusie:

De druksterkte van de verschillende bamboesoorten situeert zich grotendeels tussen de 40 en 80 N/mm². Dit is tweemaal tot viermaal hoger dan de druksterkte van de meeste commerciële houtsoorten. Het verschil in resultaten kunnen worden verklaard door de verschillende testmethoden en monsters die werden gebruikt. Het is echter duidelijk dat de leeftijd en het vochtgehalte van bamboepalen een belangrijke invloed heeft op de druksterkte van bamboe. Bamboepalen met een laag vochtgehalte hebben een hogere druksterkte dan bamboepalen met een hoog vochtgehalte.

 


 

Treksterkte

De maximale treksterkte van bamboe wordt bepaald door het testen van de vezels (bamboe strips) en niet op de volledige bamboestam. Net als bij druksterkte biedt de ISO 22157 norm wel richtlijnen voor de treksterkte evenwijdig aan de vezelrichting, maar niet voor de treksterkte loodrecht op de vezelrichting.

Om de treksterkte van bamboe te meten worden er per bamboestam drie proefstukken getest die afkomstig zijn uit het onderste, middelste en bovenste deel van de stam. Elke bamboe strip is 100 mm lang, 10 à 20 mm breed, en de dikte is gelijk aan de dikte van de bamboestam.

Elk proefstuk moet een knoop bevatten, omdat de vezelrichting van het knooppunt tegengesteld is aan de vezelrichting van de stam. Het knooppunt word dus beschouwd als het zwakste punt bij belasting op trek (bij het testen van druksterkte is dat andersom). Ook het vochtgehalte van elk van deze proefstukken moet ook worden bepaald zoals voorgeschreven in de ISO 22157 norm.

In de volgende tabel is de treksterkte weergegeven voor de meest gebruikte bamboesoorten voor constructieve toepassingen.

Treksterkte van diverse bamboesoorten
Bamboesoort Treksterkte
σ (N/mm²)
E - modulus
(N/mm²)
Dichtheid
ρ (kg/m3)
Vochtgehalte
(%)
Bron
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-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

Conclusie:

De gemiddelde treksterkte van verschillende bamboesoorten situeert zich grotendeels rond de 160 N/mm². Dit is driemaal tot viermaal hoger dan de treksterkte van de meeste commerciële houtsoorten.

 


 

Schuifspanning

De maximale schuifspanning die een bamboestam aan kan is belangrijk voor het ontwikkelen van verbindingssystemen. Ook hier biedt de ISO 22157 norm wel richtlijnen voor de schuifspanning evenwijdig aan de vezelrichting, maar niet voor de schuifspanning loodrecht op de vezelrichting.

Net zoals bij de vorige testen worden er per bamboestam drie proefstukken getest die afkomstig zijn uit het onderste, middelste en bovenste deel van de stam. Het verschil met de proefstukken bij de drukproef is dat bij deze proef de helft van de proefstukken één knoop moeten bevatten.

Voor de proef start, wordt het proefstuk uitvoerig opgemeten. Aan de vier zones waar de afschuiving zal optreden wordt de hoogte van het proefstuk en de dikte van de stam opgemeten. Dit is belangrijk omdat de bamboestam niet overal even dik zou kunnen zijn en het proefstuk mogelijk niet volledig recht is.

Schuifspanning van Guadua Bamboe (G. angustifolia)

Aan de universiteit de Los Andes in Colombia werden op dezelfde bamboestammen waarvan de druksterkte bepaald werd, ook de maximale schuifspanning bepaald aan de hand van de besproken proefmethode volgens ISO 22157.

Opstelling bamboe schuifspanning test
Opstelling bamboe schuifspanning test

In onderstaande tabel worden de proefresultaten naargelang leeftijd en hoogterichting van de Guadua bamboestammen getoond:

Maximale schuifspanning van Guadua angustifolia
  Leeftijd van de bamboestam
2 jaar 3 jaar 4 jaar 5 jaar
Onder τ (N/mm²) 7.2 7.4 7.5 6.6
Midden τ (N/mm²) 7.5 8.2 8.0 7.4
Boven τ (N/mm²) 7.2 8.1 7.6 8.0

Net zoals bij de druksterkte is te zien dat het middelste deel van de bamboestam de beste waarden vertoont op een leeftijd van drie à vier jaar, op oudere leeftijd neemt de maximale schuifspanning terug af. Guadua Bamboe heeft op een leeftijd van drie à vier jaar een maximale schuifspanning van ongeveer 8 N/mm² (bij een vochtgehalte van ongeveer 56.6%).

De schuifspanning van verschillende bamboesoorten vergelijken

De schuifspanning van verschillende bamboesoorten is te zien in de onderstaande tabel. Opnieuw moeten de resultaten beschouwd worden als een gemiddelde waarden omdat we niet kunnen bevestigen dat alle testen werden uitgevoerd volgens ISO 22157 standaard.

Maximale schuifspanning van diverse bamboesoorten
Bamboesoort Schuifspanning
τ (N/mm²)
Dichtheid
ρ (kg/m3)
Vochtgehalte
(%)
Bron
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 - groen Dickerson

Conclusie:

De spanning waarbij afschuiving optreedt, evenwijdig aan de vezelrichting, is ongeveer 10 keer lager dan de druksterkte en zelfs tot 20 keer lager dan de treksterkte van diezelfde bamboesoorten. Desondanks is de schuifsterkte van de meeste bamboesoorten ongeveer dubbel zo groot als de schuifsterkte van tropische houtsoorten (3 tot 6 N/mm²).

 


 

Buigsterkte

De doorbuiging van een bamboestam heeft een directe invloed op het gedrag van de gebouwde structuur, het is dan ook noodzakelijk om van elk element uit een structuur de doorbuiging te kunnen voorspellen alvorens die gebruikt wordt. De meest gebruikte methode om de doorbuiging van een ligger of kolom te bepalen is de vierpuntsbuigproef. In de ISO 22157 norm wordt deze proef dan ook naar voor geschoven voor de bepaling van de buigsterkte van een bamboestam.

Buigsterkte van Guadua Bamboe (G. angustifolia)

De vierpuntsbuigproef, zoals voorgeschreven in de ISO 22157 norm werd uitgevoerd aan de universiteit de Los Andes in Colombia. De buigproef werd op dezelfde bamboestammen uitgevoerd als bij de testen ter bepaling van de druksterkte en de schuifsterkte.

Opstelling bamboe buigtest (vierpuntsbuigproef)
Opstelling bamboe buigtest (vierpuntsbuigproef)

Tijdens de vierpuntsbuigproef werden de elasticiteitsmodulus bepaald en uiteraard ook de buigsterkte. De resultaten van die proef zijn weergegeven in de volgende tabel.

Buigsterkte van Guadua angustifolia
  Leeftijd van de bamboestam
2 jaar 3 jaar 4 jaar 5 jaar
Onder E (N/mm²) 16900 16700 17000 18000
Buigsterkte
(N/mm²)
93.6 88.8 86.9 86.3
Midden E (N/mm²) 17700 15800 17000 18700
Buigsterkte
(N/mm²)
84.7 91.6 103.7 86.9
Boven E (N/mm²) 16100 19400 18300 15500
Buigsterkte
(N/mm²)
107.3 97.8 103.8 107.0

De elasticiteitsmodulus van Guadua angustifolia is voor het onderste en middelste deel van de stam het hoogst en dit als de stam een leeftijd heeft van vier à vijf jaar. Voor het bovenste deel van de stam is dit niet zo, daar wordt de grootste elasticiteitsmodulus bereikt op een leeftijd van drie à vier jaar, net zoals bij de bepaling van de elasticiteitsmodulus bij de drukproef.

De buigsterkte van de bamboestam is ook niet voor de drie delen hetzelfde, het bovenste deel van de bamboestam heeft een grotere buigsterkte dan het onderste gedeelte. De buigsterkte neemt toe met de hoogte van de stam. De buigsterkte van Guadua angustifolia is ongeveer 100 N/mm².

De buigsterkte van verschillende bamboesoorten vergelijken

De buigsterkte van Guadua angustifolia ligt in dezelfde grootteorde van de buigsterkte van andere veel toegepaste bamboesoorten. In de volgende tabel wordt een samenvatting weergegeven van de buigsterkte van enkele andere bamboesoorten. Niet alle resultaten zijn bekomen door de vierpuntsbuigproef zoals voorgeschreven in de ISO 22157 norm. Deze waarden kunnen dus een kleine afwijking vertonen, maar ze geven wel een idee van de grootteorde van de buigsterkte van verschillende bamboesoorten.

Buigsterkte van diverse bamboesoorten
Bamboesoort Buigsterkte
(N/mm²)
E - modulus
(N/mm²)
Dichtheid
ρ (kg/m3)
Vochtgehalte
(%)
Bron
Bambusa balcooa 62.4 - 85 7200 - 10300 - groen Kabir et al
69.6 - 92.6 9300 - 12700 - droog
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 - groen Sekhar
76 - 100 9300 - 16000 - droog
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 - - droog Espinosa
44.9 - - droog
55 10300 - droog 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 - groen Limaye
107 15600 - droog
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

Conclusie:

De buigsterkte van de meeste bamboesoorten ligt tussen de 50 en de 150 N/mm² wat ongeveer tweemaal hoger is dan de meeste conventionele houtsoorten. De afwijkingen bij de testresultaten in bovenstaande tabel zijn waarschijnlijk te wijten aan het vochtgehalte van de geteste bamboestammen en aan de verschillende proefmethodes. Zo zal een bamboestam met een laag vochtgehalte eerder een kleinere buigsterkte hebben dan een bamboestam met een hoger vochtgehalte.

Bronnen

  • Bamboe: LCA-& prenormatief onderzoek door Jonas Van Durme & Jasper D’Hondt