De mechanische eigenschappen van 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 materiaaleigenschappen 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 bijvoorbeeld teak, eik, etc. Bovendien kunnen de mechanische eigenschappen van een enkele bamboesoort ook sterk variëren. Die verschillen zijn toe te schrijven 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 bamboe soorten voor constructieve doeleinden afkomstig zijn uit tropische landen, is het dikwijls moeilijk om de exacte groeiomstandigheden te kunnen achterhalen en goed testmateriaal te krijgen. Dit heeft als gevolg dat verschillende onderzoeken vaak uiteenlopende resultaten opleveren, waardoor het gedrag van het materiaal in bepaalde situaties nog niet helemaal zeker is.

Waarom zijn

mechanische eigenschappen belangrijk?

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.

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 bekend als de sterkste bamboe ter wereld, zijn er in Colombia wel testen uitgevoerd volgens de ISO 22157 norm. De resultaten hiervan lees je iets verder op.

Voor het vervolg wordt er verwezen naar tabellen met informatie over de testen. Deze tabellen kun je vinden in de PDF die bij deze blog hoort.

Bamboe

Treksterkte

Bamboe strips

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.

Proefstukken

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 - 20 mm breed, en de dikte is gelijk aan de dikte van de bamboestam.

Knooppunt

Elk proefstuk moet een knoop bevatten, omdat de vezelrichting van het knooppunt tegengesteld is aan de vezelrichting van de stam. Het knooppunt wordt 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.

Conclusie

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

Bamboe

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.

Bamboe

Buigsterkte van Guadua Bamboe

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.

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

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 4 - 5 jaar. Voor het bovenste deel van de stam is dit niet zo, daar wordt de grootste elasticiteitsmodulus bereikt op een leeftijd van 3 - 4 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.

Bamboe

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 een knoop moet 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.