1. Definicja pełzania

Pełzanie to zjawisko polegające na stopniowym zwiększaniu się odkształcenia materiału w czasie przy stałym naprężeniu lub stałym obciążeniu.

Innymi słowy, nawet jeśli obciążenie działające na element konstrukcyjny nie zmienia się, to jego odkształcenie może z czasem rosnąć. Zjawisko to występuje w wielu materiałach konstrukcyjnych, m.in.:

• w betonie,

• w drewnie,

• w materiałach asfaltowych,

• w metalach pracujących w wysokiej temperaturze.

W konstrukcjach budowlanych pełzanie jest szczególnie istotne w przypadku materiałów o strukturze porowatej lub organicznej, takich jak drewno czy beton.

2. Mechanizm fizyczny pełzania

Pełzanie jest wynikiem powolnych procesów zachodzących w mikrostrukturze materiału pod wpływem długotrwałego obciążenia.

W przypadku drewna proces ten związany jest z:

• przemieszczaniem się cząsteczek wody w strukturze komórkowej,

• powolnym przesuwaniem się włókien drzewnych,

• reorganizacją struktury komórek drewna.

Drewno jest materiałem anizotropowym i higroskopijnym, co oznacza, że jego właściwości zależą od:

• kierunku włókien,

• wilgotności,

• temperatury otoczenia.

Dlatego pełzanie drewna jest silnie uzależnione od warunków środowiskowych.

3. Fazy pełzania materiałów

W przebiegu pełzania można wyróżnić trzy podstawowe etapy.

1️⃣ pełzanie pierwotne

W pierwszym okresie tempo przyrostu odkształceń jest stosunkowo duże, jednak z czasem maleje. Materiał częściowo adaptuje się do działającego obciążenia.

2️⃣ pełzanie wtórne

Jest to faza stabilna, w której odkształcenia narastają w przybliżeniu liniowo w czasie. W praktyce budowlanej jest to najczęściej obserwowany etap pełzania.

3️⃣ pełzanie trzeciorzędowe

W tej fazie następuje szybki wzrost odkształceń prowadzący do zniszczenia materiału. W konstrukcjach budowlanych dąży się do tego, aby element nigdy nie osiągnął tego etapu.

4. Pełzanie drewna w konstrukcjach budowlanych

W drewnie pełzanie jest zjawiskiem szczególnie istotnym, ponieważ materiał ten wykazuje stosunkowo dużą podatność na odkształcenia długotrwałe.

Na wielkość pełzania drewna wpływają przede wszystkim:

• poziom naprężeń w elemencie,

• wilgotność drewna,

• temperatura,

• czas działania obciążenia,

• klasa użytkowania konstrukcji.

W projektowaniu konstrukcji drewnianych uwzględnia się te czynniki poprzez stosowanie odpowiednich współczynników korekcyjnych.

5. Współczynnik pełzania w Eurokodzie 5

Projektowanie konstrukcji drewnianych regulowane jest przez:

📘 Eurokod 5 – Projektowanie konstrukcji drewnianych

Norma wprowadza współczynnik kdef, który uwzględnia wpływ pełzania na odkształcenia.

Całkowite odkształcenie elementu można zapisać jako:

ufinal=uinst⋅(1+kdef)

gdzie:

• uinst – odkształcenie natychmiastowe,

• kdef – współczynnik pełzania zależny od klasy użytkowania.

Typowe wartości kdef:

Oznacza to, że w niektórych warunkach odkształcenia mogą ponad dwukrotnie przekraczać wartości początkowe.

6. Wpływ pełzania na pracę słupa drewnianego

Pełzanie może znacząco wpływać na zachowanie słupów drewnianych, zwłaszcza w konstrukcjach obciążonych długotrwale.

zwiększenie odkształceń

Słup drewniany pod działaniem stałego obciążenia może stopniowo skracać się bardziej niż wynikałoby to z obliczeń sprężystych.

zwiększenie mimośrodu obciążenia

Jeżeli słup jest obciążony mimośrodowo, wzrost odkształceń może powodować zwiększenie mimośrodu działania siły osiowej.

wzrost efektów II rzędu

Większe przemieszczenia poprzeczne powodują wzrost momentów zginających wynikających z efektów drugiego rzędu:

MII=N⋅ΔM

gdzie:

• N – siła osiowa,

• $\Delta M$ – przemieszczenie poprzeczne.

zmniejszenie nośności konstrukcji

Zwiększone odkształcenia mogą prowadzić do:

• utraty stateczności elementu,

• zwiększenia ryzyka wyboczenia słupa,

• pogorszenia pracy całej konstrukcji.

7. Pełzanie a klasy czasu trwania obciążenia

Eurokod 5 wprowadza również klasy czasu działania obciążenia, które wpływają na wytrzymałość drewna.

Wyróżnia się obciążenia:

• stałe,

• długotrwałe,

• średniotrwałe,

• krótkotrwałe,

• chwilowe.

Im dłużej działa obciążenie, tym większy wpływ pełzania i tym mniejsza efektywna wytrzymałość drewna.

8. Znaczenie projektowe pełzania

Uwzględnienie pełzania jest kluczowe przy projektowaniu:

• słupów drewnianych,

• belek o dużych rozpiętościach,

• konstrukcji dachowych,

• elementów sprężonych lub smukłych.

Projektant musi sprawdzić nie tylko nośność elementu, ale także jego długotrwałe odkształcenia, aby uniknąć nadmiernych ugięć lub utraty stateczności.