MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2007 ONDŘEJ TOMÁNEK

Transkript

1 MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2007 ONDŘEJ TOMÁNEK

2 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav Nauky o dřevě Vliv vlhkosti na pevnost dřeva javoru v tlaku Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Eva Přemyslovská, Ph.D. Vypracoval: Ondřej Tománek Brno

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Vliv vlhkosti na pevnost dřeva javoru v tlaku vypracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne:... podpis studenta. 3

4 Poděkování U příležitosti vydání bakalářské práce bych chtěl tímto vyjádřit své poděkování mé rodině, zejména mým rodičům za podporu při studiu. Rovněž bych chtěl poděkovat vedoucí mé bakalářské práce za připomínky a vedení při tvorbě této práce. 4

5 Abstrakt Tato bakalářská práce pojednává o vlivu vlhkosti na pevnost dřeva - javoru v tlaku. Vlhkost ovlivňuje pevnostní vlastnosti dřeva a to tak, že se zvyšující se vlhkostí se pevnostní vlastnosti dřeva snižují. Tato teorie je pravdivá, jedná li se pouze o vlhkost do meze hygroskopicity. Práce se zabývá zkoumáním a porovnáváním hodnot naměřených při laboratorních zkouškách. Mechanické vlastnosti jsou stanoveny pomocí zkoušek podle ČSN a ČSN Zkoušky byly prováděny na speciálně ortotropních vzorcích, kdy se měřila pevnost dřeva v tlaku ve třech směrech podélném, radiálním a tangenciálním, při třech odlišných vlhkostech. Měření se provádělo při vlhkostech 0%, 12% a 25%. Výsledky jsou porovnávány s dostupnou odbornou literaturou. Klíčová slova: javor, pevnost dřeva v tlaku, vlhkost, vliv, Abstract This baccalaureate work is about an influence of moisture on a solidity of wood maple wood in a pressure. The theory is, that with higher moisture effecting of wood, the solidity of this wood gets loose. This can be true only in case that level of moisture doesn t go over the hygroscopic point. The work investigates and compares measurements acquired from a laboratory testing. Mechanical characteristics are specified in ČSN a ČSN Inspections were done on special orthotropic samples. The solidity of these samples was measured in three directions longitudinal, radial and tangential and with three different levels of the moisture - 0%, 12% and 25%. Results were compared with an available technical literature. Key words: maple, solidity of wood in a pressure, moisture, influence. 5

6 Obsah: 1. Úvod Cíl práce Literární přehled Mechanické vlastnosti Mechanické namáhání Pevnost dřeva Pružnost dřeva Pracovní diagram Faktory ovlivňující pevnost dřeva Vlhkost dřeva Hustota dřeva Teplota dřeva Javor Metodika a materiál Metodika Zjišťování vlhkosti zkušebních tělísek při mechanických zkouškách Materiál Metoda zpracování naměřených dat (statistická metoda) Použité vztahy při výpočtu Výsledky Statistické zpracovaní dat v podélném směru zatížení Statistické zpracovaní dat v radiálním směru zatížení Statistické zpracovaní dat v tangenciálním směru zatížení Přepočtové koeficienty Diskuse Závěr Použitá literatura Přílohy

7 1. ÚVOD Mechanickými vlastnostmi rozumíme pevnost, pružnost, plastičnost a houževnatost dřeva přičemž rozlišujeme ještě vlastnosti odvozené a to tvrdost, odolnost proti trvalému zatížení, odolnost proti tečení a odolnost proti únavovému lomu. Mechanické vlastnosti dřeva jsou úzce spojeny s fyzikálními vlastnostmi, kdy nás v této bakalářské práci bude především zajímat jako fyzikální vlastnost vlhkost dřeva a její vliv na mechanické vlastnosti dřeva javoru, konkrétně na pevnost dřeva v tlaku ve směru podélném, radiálním a tangenciálním. Tyto tři směry se uvádí z důvodu anizotropie dřeva, tzn. že dřevo má v každém směru odlišné vlastnosti. Anizotropie dřeva vychází ze stavby dřevních buněk a jejich uspořádání ve dřevě. Jelikož je strom živým organismem, potřebuje tak jako všechny rostliny pro svůj růst vodu. Voda obsažená ve dřevě je tedy nedílnou součástí tohoto materiálu, proto je důležité znát všechny aspekty ve vztahu dřevo-voda, abychom byli schopni efektivně využívat tohoto ušlechtilého a svým způsobem velmi vzácného materiálu. Dřevo je materiálem hygroskopickým tedy schopným přijímat či odevzdávat vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí. Na tuto vlastnost dřeva musí být brán zřetel při výrobě nábytku, dřevěných stavebních prvků (okna, dveře) a různých dřevěných konstrukcí, jako jsou střešní či mostové konstrukce. Při výrobě nábytku určeného do místností s běžnou pokojovou teplotou je důležité, aby vlhkost dřevěného materiálu byla v souladu s relativní vlhkostí okolního prostředí. Zamezí se tím sesychání či bobtnání dřeva a následným tvarovým deformacím, které znehodnocují konečný výrobek a mnohdy vedou ke ztrátě funkčnosti daného výrobku. U dřevěných nosných konstrukcí se na vlhkost dřeva díváme hlavně z hlediska činitele ovlivňujícího pružnostní a pevnostní vlastnosti dřeva. Odborná literatura uvádí, že pružnostní a pevnostní vlastnosti dřeva se snižují při zvyšování vlhkosti dřeva, pouze jedná-li se o vlhkost do meze hygroskopicity. Nad mezí hygroskopicity nemá voda významný vliv na uváděné vlastnosti. 7

8 2. CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je určit, zda se při rozdílných vlhkostech dřeva mění pevnostní vlastnosti dřeva javoru, konkrétně pevnost dřeva v tlaku. Především se budeme soustředit na porovnání hodnot, které nám vyšly při laboratorním měření. Budeme zjišťovat jak se mění pevnost dřeva při zatížení v tlaku ve třech směrech podélném, radiálním a tangenciálním a při třech odlišných vlhkostech. Pro dosažení věrohodných výsledků je nutné, veškeré měření provádět na specielně ortotropních zkušebních vzorcích tzn. vzorky musí být bez vad a bez odklonu vláken. Cílem bakalářské práce je také stanovit přepočtové koeficienty α, které jsou opravnými koeficienty udávající změnu pevnosti dřeva při změně vlhkosti o 1%. 8

9 3. LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Mechanické vlastnosti Mechanickými vlastnostmi se vyjadřuje schopnost dřeva odolávat působení vnějších sil. Do základních mechanických vlastností zařazujeme pružnost, pevnost, plastičnost a houževnatost dřeva. Nadále se však budeme zabývat převážně pevnostními vlastnostmi dřeva. Mechanické vlastnosti dřeva mají rovněž jako fyzikální vlastnosti anizotropní charakter. Anizotropní charakter vlastností je dán uspořádáním a orientací molekul stavebních látek ve dřevě. Orientace kovalentních a vodíkových vazeb určují velikost a orientaci mechanických vlastností na úrovni mikrostruktury a makrostruktury dřeva. Tvar a uspořádání základních mechanických elementů dřeva, tracheid a libriformních vláken, směr fibril ve střední vrstvě sekundární buněčné stěny a rozdílná orientace vodíkových vazeb zapříčiňují významný rozdíl mechanických vlastností ve směru podélném a kolmém na vlákna. Rozdíl mechanických vlastností s ohledem na jejich anizotropii můžeme znázornit na prostorovém modelu (obr. 1). Z obrázku je patrné, že pro charakteristiku mechanických vlastností dřeva postačí zavést jen tři roviny pružné symetrie: Příčnou (transversální), značenou RT Radiální, značenou LR Tangenciální, značenou LT (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) 9

10 Obr.1 Anizotropní model vlastností dřeva modul pružnosti E (Aškenazi a Ganov 1972) Mechanické namáhání Mechanickým namáháním tělesa nazýváme takový děj, při kterém dochází k interakci mezi působícími mechanickými silami a dřevem.výsledkem tohoto děje jsou dočasné nebo trvalé změny tvaru tělesa. Namáhání dřeva podle fyzikální podstaty sil můžeme rozdělit na mechanické, vlhkostní, tepelné a jiné. Při použití dřeva ke konstrukčním účelům spolupůsobí často zatížení mechanické a vlhkostní. Při tomto způsobu namáhání přichází do úvahy také ještě faktor času. Vzájemná interakce mezi mechanickým a vlhkostním namáháním v závislosti na čase významně ovlivňuje deformovatelnost dřeva při různých druzích namáhání. Při mechanickém namáhání dřevo reaguje na základě vazeb mezi chemickými složkami dřeva, anatomické stavby a také geometrie tělesa. Proto je nutné každou mechanickou vlastnost dřeva posuzovat z těchto hledisek. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) 10

11 Základní druhy mechanického namáhání Podle druhu napětí, které v tělese vznikají v důsledku působení vnější síly, rozlišujeme základní způsoby mechanického namáhání. Napětí ve dřevě představuje míru vnitřních sil, které se v tělese objevují jako odpověď na působení vnějších sil. Napětí definujeme jako velikost vnitřní síly, která je vztažena na jednotku plochy tělesa. Jestliže síly působí kolmo na průřezovou plochu tělesa, jedná se o normálové napětí σ. Klasickým příkladem normálových napětí je napětí v tahu a tlaku. Působí-li síly v rovině průřezu, vzniká tangenciální (smykové) napětí τ. Příkladem tangenciálního napětí je napětí ve smyku. Dále se však budeme zabývat pouze normálovým napětím σ a to napětím v tlaku. Stav napjatosti definujeme počtem, druhem a průběhem napětí v objemu dřeva a jejich vzájemnými vztahy. Podle počtu působících hlavních napětí může být tento stav napjatosti jednoosý, dvouosý nebo víceosý. S ohledem na zavedené tři roviny pružné symetrie vystačíme u dřeva v nejobecnějším případě s trojosým stavem napjatosti. Ve vztahu k deformovatelnosti tělesa při různých druzích napětí jsou pro pevná tělesa charakteristické dvě základní vlastnosti a to pružnost a pevnost. Pružnost dřeva je charakterizována jako schopnost dřeva dosahovat původní rozměry po uvolnění vnějších sil. Pevnost dřeva charakterizuje odolnost proti trvalému porušení. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) Pevnost dřeva Pevnost dřeva charakterizuje odpor (odolnost) dřeva proti jeho trvalému porušení. Kvantitativně se pevnost dřeva vyjadřuje napětím, při kterém se poruší soudržnost tělesa. S ohledem na nemožnost vypočítat teoretickou pevnost dřeva pro žádný způsob mechanického namáhání stanovuje se pevnost dřeva jako skutečná pevnost dřeva. Údaje o pevnosti dřeva se zjišťují prostřednictvím zkoušek, kde se sleduje skutečné napětí v okamžiku porušení tělesa. Jedinou výjimkou je pevnost dřeva v tlaku napříč vláken, která je definována jako konvenční pevnost (viz. Pevnost dřeva v tlaku napříč vláken), protože zde konečného porušení tělesa nelze dosáhnout. Pro vzájemnou porovnatelnost získávaných hodnot pevností dřeva byla přijata dohoda o zkušebních postupech, která definuje podmínky, při kterých se pevnost zjišťuje. Základní zásady zkoušení pevnosti dřeva spočívají ve stanovení velikosti tělesa, postupu zkoušky a výpočtu výsledků. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) 11

12 Pevnost dřeva můžeme rozdělit podle: a) stavu napjatosti -jednoosý a víceosý b) způsobu zatížení -tlak, tah, ohyb, krut a smyk c) časového průběhu zatížení -statické a dynamické d) účinků zatížení na dřevo -destruktivní a nedestruktivní způsob Pevnost dřeva v tlaku S ohledem na směr působící síly k orientaci vláken a letokruhů dřeva rozlišujeme: a) pevnost v tlaku ve směru vláken b) pevnost v tlaku napříč vláken - ve směru radiálním - ve směru tangenciálním Mez pevnosti v tlaku ve směru vláken ( pevnost v tlaku napříč vláken se zjišťuje graficky z pracovního diagramu ) se vypočítá podle vztahu pro normálové napětí: σ p = F max a. b F max je to síla působící v mezi pevnosti a,b jsou příčné rozměry tělesa (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) Pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken Tlaková pevnost dřeva ve směru vláken je z praktického hlediska velmi důležitou vlastností dřeva. Působením tlaku na těleso podél vláken dojde k deformaci, projevující se zkrácením délky tělesa. Charakter deformace závisí na jakosti a stavbě dřeva. Důležitými činiteli jsou hustota a vlhkost dřeva. U dřeva suchého s vysokou hustotou a tedy i s vysokou pevností vzniká zatížením porušení dřeva ve formě smyku jedné části zkušebního vzorku vzhledem k druhé po linii, která na tangenciální ploše probíhá pod úhlem 60 vzhledem k podélné ose tělesa. U dřeva vlhkého s nízkou hustotou a malou pevností dochází k otlačení vláken na čelních plochách a k vybočení stěn zatěžovaných těles. V zóně porušení dřeva dochází ke změnám mikroskopické stavby jednotlivých elementů. Určité porušení dřeva tlakem podél vláken lze pozorovat již při počátečním zatížení tělesa vytvářením příčných rysek na tracheidách jehličnanů tzv. skluzových čar, které s osou tracheid svírají úhel 70. Skluzové čáry se 12

13 dále mění na čáry porušení, přičemž ještě nedochází ke zakřivení vláken. V dalších fázích, již pouhým okem viditelné, se deformují buněčné stěny a celá vlákna. Průměrná hodnota meze pevnosti v tlaku ve směru vláken u dřev s vlhkostí 12% je cca 50 MPa. Mez úměrnosti v tlaku ve směru vláken je průměrně 60% meze pevnosti. Hodnoty meze úměrnosti jsou uváděny v literatuře pro tvrdé listnáče 56% pro měkké listnáče 60% a pro jehličnany 68% meze pevnosti. Udávané rozdíly v hodnotách pro jednotlivé skupiny dřev souvisí pravděpodobně s rozdílnou stavbou dřeva. Vyšší mez úměrnosti dřeva jehličnatých dřevin je vysvětlována pravidelnější stavbou, dřeva listnáčů s kruhovitě pórovitou a s méně pravidelnou stavbou mají mez úměrnosti nižší. Předpokládá se, že vzniklé napětí v tělese je přenášeno hlavně elementy s tlustšími buněčnými stěnami, (letními tracheidami u jehličnanů a libriformními vlákny u listnáčů). V buněčných stěnách je napětí přenášeno přes makromolekuly celulózy a hemicelulóz na amorfní výplň celulózní kostry buněčné stěny. Výrazná plastická deformace, která při tlaku je tedy projevem trvalých změn ve struktuře ligninu, případně narušení spojů lignino-sacharidového komplexu. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) Obr.2 Rovina porušení při tlaku podél vláken Obr.3 Porušení dřeva v mikrostruktuře ve směru vláken 13

14 Pevnost dřeva v tlaku napříč vláken Na rozdíl od tlaku ve směru vláken nebývá v tomto případě dřevo porušeno oddělováním jednotlivých částí, ale dochází k postupné deformaci a zhušťování dřevní struktury v celém objemu. Při působení tlaku napříč vláken jsou s ohledem na makroskopickou stavbu letokruhu možné dva průběhy závislosti napětí deformace: dvoufázová a třífázová. Při dvoufázové deformaci vzniká lineární závislost (se vrůstajícím napětím vzrůstá i deformace), která probíhá téměř do maximálního pružného zatížení. Nad mezí úměrnosti dochází k postupnému porušování soudržnosti tělesa, což se projevuje na hranicích letokruhů. Ty se ohýbají, navzájem od sebe oddělují a dochází k rozvíjení plastické deformace tělesa. Dvoufázová deformace je charakteristická pro dřevo jehličnanů a listnatých dřevin s kruhovitě pórovitou stavbou letokruhů (s výjimkou dubu) při tlaku v tangenciálním směru, kdy se stlačují elementy jarního a letního dřeva současně. Třífázová křivka deformace dřeva je typická pro zatížení dřeva při tlaku napříč vláken v radiálním směru pro všechna naše dřeva s výjimkou dubu, v tangenciálním směru pro dřeva listnáčů s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva a určitou tendenci v tomto směru projevuje i dřevo dubu. Počáteční první fáze deformace (lineární křivky) je způsobena stlačováním jarního dřeva v letokruzích. Na konci této fáze je dosaženo meze úměrnosti. Po ztrátě stability anatomických elementů začíná jejich stlačování. Tento proces probíhá působením stejného nebo jen málo vzrůstajícího napětí a postupně se rozvíjejí plastické deformace. Na pracovním diagramu představuje téměř vodorovnou nebo jen málo zakřivenou část křivky. S postupnou deformací obou vrstev letokruhu dochází k přechodu do třetí fáze deformace. Tato fáze probíhá při značném zatížení, dochází ke zhušťování dřeva, které ale nekončí úplným porušením tělesa. Při působení tlaku napříč vláken nedochází ve většině případů k celkovému porušení tělesa. Proto pevnost v tlaku napříč vláken se určuje z meze úměrnosti. S ohledem na to, že vlastní mez úměrnosti je obtížné určit, zjišťuje se v podstatě mez úměrnosti na základě stanovených kritérií. Takto stanovená mez úměrnosti je označována jako konvenční mez pevnosti (σ k ~ σ ú ) Hodnoty konvenční meze pevnosti při zatížení na dřeva v radiálním a tangenciálním směru se příliš neliší. Dřeva s širokými dřeňovými paprsky (dub, buk, javor) mají vyšší konvenční mez pevnosti v radiálním směru, u jehličnatých dřevin je naopak vyšší konvenční mez pevnosti při tangenciálním zatížení, kdy tlak působí na jarní i letní dřevo současně. Konvenční mez pevnosti při zatížení napříč vláken je pro všechny dřeva průměrně 10 krát menší než mez pevnosti při tlaku ve směru podél vláken. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) 14

15 3.1.3 Pružnost dřeva Pružnost dřeva je všeobecně definována jako schopnost dřeva dosahovat původní tvar a rozměry po uvolnění vnějších sil. Pružnost lze popsat parametry z pracovního diagramu mezi úměrností, pružnou deformací a energií pružné deformace (Horáček, 1998) Moduly pružnosti: Moduly pružnosti vyjadřují vnitřní odpor materiálu proti pružné deformaci. Čím je modul pružnosti větší, tím větší napětí je potřebné k vyvolání deformací. Rozlišujeme moduly pružnosti při normálových namáhání (tah, tlak, ohyb) Youngovy moduly pružnosti a smykové moduly při namáhání tangenciálních (smyk a krut). Moduly pružnosti představují důležité materiálové konstanty při statických výpočtech dřevěných konstrukcí (Horáček, 1998) Modul pružnosti v tahu a tlaku: Modul pružnosti v tahu a tlaku je charakterizován podílem napětí a poměrné deformace podle vztahu: E Fú. =. l S u kde: F ú.síla na mezi úměrnosti (N) l l původní délka tělesa před silovým působením (m) S plocha na kterou síla F působila (m 2 ) u l..absolutní celková pružná deformace ve směru silového působení (m) Průměrná hodnota modulu pružnosti pro dřevo v tahu a tlaku ve směru vláken se pro domácí dřeviny udává v rozpětí MPa při průměrné vlhkosti 12%. Napříč vláken je tato hodnota až 25x menší, při čemž v radiálním směru je cca o % vyšší než ve směru tangenciálním. Vzájemný poměr mezi jednotlivými směry lze stanovit E : E : E 20 : 2 :1 (Horáček, 1998). L R T 15

16 3.2 Pracovní diagram Moduly pružnosti lze určit pouze experimentálně, protože pro většinu materiálu dosud neexistují jejich teoreticky odvozené rovnice. Obvykle jsou tyto parametry zjišťovány na zkušebních strojích, kde je současně měřena deformace a působící silové zatížení. Empirickou křivku charakterizující vztah mezi napětím a deformací nazýváme pracovní diagram. Diagram dřeva napětí deformace můžeme rozdělit na dvě části, a to na lineární část po mez účinnosti σ ú a nelineární část nad mezí úměrnosti po mez pevnosti σ p. Sklon přímky v pracovním diagramu mezi nulovým napětím a napětím na mezi úměrnosti vyjadřuje poměr mezi napětím a deformací, a je používán pro výpočet modulu pružnosti pro daný způsob normálového zatížení (Horáček, 1998). Obr.4 Obecný tvar pracovního diagramu (podle Matoviče 1993) 16

17 Obr.5 Zjišťování konvekční meze pevnosti napříč vláken (ČSN ) 3.3 Faktory ovlivňující pevnost dřeva Vlhkost dřeva Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí hygroskopický materiál schopný přijímat nebo odevzdávat vodu ať už ve skupenství kapalném a plynném. Ačkoliv dřevo může přijímat i jiné kapaliny a plyny, voda je z praktického hlediska nejdůležitější. Rostoucí strom obsahuje velké množství, která je nezbytná pro jeho existenci. Po skácení se obsah vody ve dřevě podle dalšího použití dále snižuje nebo zvyšuje. Vzhledem k hygroskopicitě však dřevo prakticky vždy vodu obsahuje. Ve většině případů voda ve dřevě ovlivňuje i vlastnosti dřeva a způsobuje často jejich zhoršení. Se změnou obsahu vody ve dřevě jsou spojeny změny hustoty dřeva, rozměrové změny, odolnost proti houbám a napadení hmyzem,fyzikální a mechanické vlastnosti, technologické postupy zpracování atd. Vlhkostí dřeva se nazývá přítomnost vody ve dřevě. Vyjadřuje se podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu což je vlhkost absolutní w abs, nebo podílem hmotnosti vody ke hmotnosti mokrého dřeva což je vlhkost relativní w rel. 17

18 Absolutní a relativní vlhkost se nejčastěji vyjadřuje v % a vypočítává se podle následujících vztahů: mw m0 mv w abs = x 100 = x 100 m 0 m 0 (%) mw m0 mv w rel = x 100 = x 100 m 0 m W (%) Absolutní vlhkost dřeva se používá pro charakteristiku fyzikálních a mechanických vlastností dřeva. Relativní vlhkost se využívá tam kde je nezbytné znát procentické zastoupení vody z celkové hmotnosti mokrého dřeva, např. při prodeji nebo nákupu dřeva podle jeho hmotnosti Rozdělení vody ve dřevě: Z hlediska uložení ve dřevě můžeme vodu rozdělit na chemicky vázanou, vázanou hygroskopicky a volnou kapilární. a) Voda chemicky vázaná je součástí chemických sloučenin. Nelze ji ze dřeva odstranit sušením, ale pouze spálením. Zjišťuje se při chemických analýzách dřeva a její celkové množství představuje 1 2 % sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností nemá žádný význam. b) Voda vázaná hygroskopická Se nachází v buněčných stěnách a je vázána vodíkovými můstky na hydroxylové skupiny OH amorfní části celulózy a hemicelulóz. Voda vázaná se ve dřevě v průměru vyskytuje 18

19 při vlhkostech 0 30 %. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má největší a zásadní význam. c) Voda volná kapilární Vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Je přítomna pouze za předpokladu výskytu vody vázané, tj. při vlhkostech dřeva od 30 % do maximální vlhkosti okolo %. Při charakteristice fyzikálních a mechanických vlastností má podstatně menší roli než voda vázaná. Při posuzování změn vlastností dřeva lze konstatovat, že se stoupající vlhkostí do meze hygroskopicity se pružnostní a pevnostní vlastnosti dřeva snižují. Zákonitosti vlivu vody vázané na mechanické vlastnosti dřeva sledujeme hlavně z hlediska užití dřeva na konstrukční účely a technologického zpracování dřeva. Dřevěné konstrukce jsou během své životnosti často vystaveny různým povětrnostním podmínkám a rovnovážná vlhkost se pohybuje v rozsahu 9 až 22 %. Změna pevnosti dřeva má v závislosti na změně obsahu vody vázané nelineární průběh, který v intervalu 9 15 % můžeme nahradit přímkou. Při změně vlhkosti o 1% v rozsahu vody vázané se pevnost dřeva změní průměrně o 3 4 % (výjimkou je pevnost v tahu). Přepočet na 12 % vlhkosti se provádí podle vztahu: σ 12 = σ w [1+ α (w 12)] kde w vlhkost dřeva v době zkoušení σ w pevnost dřeva při zkoušení a α opravný koeficient pro daný způsob zatížení Při zatížení v tlaku ve směru vláken jsou ve vztahu mezi napětím a deformací významné rozdíly při vlhkosti w = 0% a na mezi hygroskopicity. Při vlhkosti na mezi hygroskopicity je mez pevnosti 3,5 krát a celková deformace téměř 7 krát menší. Z tohoto vyplývá, že při tlaku jsou namáhány vazby mezi lignino-sacharidovým komplexem. Vliv vlhkosti na mechanické vlastnosti tedy závisí na zapojených vazebných energiích při konkrétním způsobu zatížení. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) 19

20 3.3.2 Hustota dřeva Množství vody obsažené v buněčných stěnách přímo ovlivňuje mechanické vlastnosti. Při sledování vlivu hustoty dřeva na pevnost vylučujeme vliv vody přepočtem na 12% nebo 0% vlhkost. Závislost mezi hustotou a mechanickými vlastnostmi dřeva je složitější, protože pevnost dřeva nezávisí pouze na množství dřevní substance v objemové jednotce,ale také na anatomické stavbě dřeva. Pevnost dřeva se s rostoucí hustotou obecně zvyšuje. Vztah mezi hustotou a pevností dřeva ale nemusí být vždy významný. Jasnější vztah mezi strukturou, hustotou a mechanickými vlastnostmi dřeva můžeme zjistit analyzováním makroskopické stavby letokruhů, tj. šířky letokruhu a podílu letního dřeva. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) Teplota dřeva Dřevo je během různých technologických procesů, jako je sušení, lisování nebo plastifikace, vystaveno účinkům teplot, které jeho mechanické vlastnosti ovlivňují. S rostoucí teplotou se pevnost a pružnost dřeva snižuje. Vlivem nárůstu teploty do 70 C se pevnost a pružnost sníží jen dočasně, protože dojde k přechodné změně vnitřních energetických hladin bez porušení vzájemně rovnovážných poloh molekul. Vlivem vyšších teplot nad 100 C vznikají ve dřevě trvalé změny způsobené porušením rovnovážně kmitajících molekul a degradací lignino-sacharidového komplexu. Působením vysokých teplot nad 200 C se dřevo stává křehkým a nastupuje pyrolýza dřeva. Vysoké teploty značně ovlivňují zejména rázovou houževnatost v ohybu. Vzhledem k tomu, že listnáče obsahují v buněčných stěnách 2-3x více pentozanů než jehličnany, rázová houževnatost se u nich snižuje výrazněji. Vliv teploty na mechanické vlastnosti se mění s vlhkostí. Zvyšováním teploty a vlhkosti se pevnost výrazně snižuje, přičemž současné působení obou faktorů snižuje pevnost více, než působení každého samostatně. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová 2002) 20

21 3.4 Javor - Acer V našich lesích se vyskytuje javor klen (Acer pseudoplatanus), javor mléč (Acer platanoides) a babyka obecná (Acer campestre). Zastoupení v lesích České republiky je cca 0,6 %. Nejvíce je ceněno dřevo klenu, které má nejlepší vlastnosti a nejhezčí texturu. Javorové dřevo nemá vylišeno jádro a běl, dřevo je žluto až hnědobíle. Letokruhy jsou poměrně zřetelné, dřevo je roztroušeně pórovité, dřeňové paprsky jsou patrné zejména na radiálním řezu jako četná lesklá zrcátka. Dřevo je lesklé velmi dekorativní, často se vyskytují nepravá jádra, očka, vlnitý průběh vláken. Javorové dřevo je středně těžké, u javoru mléče se udává ρ 0 = 630 kg.m -3, ρ 12 = 670 kg.m -3 a je středně tvrdé cca 75 Mpa, dobře se suší, opracovává, impregnuje, ale je méně trvanlivé. Používá se v nábytkářském průmyslu, k výrobě dýh (ceněny jsou dýhy s výskytem oček a vlnitým průběhem vláken), hraček, dřevěné bižuterie a galanterie, částí hudebních nástrojů, drobných předmětů (páratka, kolíčky, podpatky atd.) a drobného kuchyňského nářadí. Ceněno je také v truhlářství, soustružnictví a řezbářství (Šlezingerová, 1998). a) Příčný řez b) Tangeniální řez c) Radiální řez Obr.6 Makroskopická struktura javoru (podle lexikonu dřev na wood.mendelu.cz) 21

22 4 Metodika a materiál 4.1 Metodika: Výroba zkušebních tělísek Výroba zkušebních tělísek byla prováděna na: Zkracovací pile Formátovací pile Srovnávací frézce Tloušťkovací frézce Postup výroby: Nejdříve bylo důležité zhodnotit daný materiál, jestli odpovídá požadavkům kladeným na výrobu zkušebních tělísek. Bylo zapotřebí, aby materiál byl bez vad a také, aby průběh vláken neměl odklon nebo jen minimální. Po tomto vizuálním zhodnocení následovaly operace jako, krácení fošny o tloušťce 40mm na přířezy dlouhé cca 1m. Dále byly přířezy rozmítány na formátovací pile na polovinu šířky, poté se provedlo na srovnávací frézce opracování plochy a boku, čímž se dosáhlo jejich pravoúhlosti. Následující operací se odřezal hranolek s nadmírami, který byl pak dokončen na tloušťkovací frézce na příčný rozměr 20x20mm. Nakonec se provedlo podélné krácení hranolku na formátovací pile na 30mm Klimatizace zkušebních tělísek Při klimatizaci vzorků na zkušební vlhkost jsme využili těchto zařízení: Laboratorní sušárnu Sanyo Klimatizační box Sanyo Zkušební vlhkosti: w 1 = 0% w 2 = 12% w 3 = 25% Zkušební tělíska byla zkoušena při každé vlhkosti v těchto množství: min.30 zkuš.tělísek v podélném směru min.30 zkuš.tělísek v radiálním směru min.30 zkuš.tělísek v tangenciálním směru 22

23 Pro dosažení 0% vlhkosti zkušebních tělísek jsme použili laboratorní sušárnu Sanyo. Další skupinu zkušebních tělísek jsme klimatizovali 3 dny na vlhkost 12%. Poslední skupinu tvořili vzorky klimatizované na vlhkost 25% Měření pevnosti K vlastní zkoušce bylo použito: Trhací stroj Zwick Z 050 Počítačový program Test expert v5.01 Digitální váha Scaltec SBC 41 Digitální posuvné měřítko Mitutoyo (ABS) 150 Podmínky prostředí při zkoušce: Teplota : t = C Vlhkost: w = 45 60% Postup zkoušky: Před započetím vlastní zkoušky byla zkušební tělíska napřed klimatizována na danou vlhkost v klimatizačním zařízení. Doba klimatizace byla 3 dny. Po nastavení a seřízení trhacího stroje Zwick Z 050 na zkoušení pevnosti dřeva v tlaku (nejprve podél vláken, poté napříč ve směru radiálním a tangenciálním) proběhla vlastní zkouška. Zkušební tělíska se postupně po jednom vytahovala z klimatizačního zařízení, byla změřena digitálním posuvným měřítkem s přesností na 0,01mm. Vždy se jako první měřil rozměr ve směru zatížení a poté zbylé dva rozměry. Dále bylo zkušební tělísko zváženo na digitální váze s přesností na 0,001g. Zkušební tělíska se do trhacího stroje umísťovala ve směru shodném se směrem zatížení, který byl právě měřen. 23

24 4.2 Zjišťování vlhkosti zkušebních tělísek při mechanických zkouškách (dle ČSN ) Ke zjišťování vlhkosti jsme použili: Sušárnu Zkušební vzorek Digitální váhu Scaltec SBC 41 Zkušební vzorek: Rozměry (30,26 x 19,50 x 19,49mm) Hmotnost před vysušením m = 8,273g Postup zkoušky: Měření vlhkosti zkušebních vzorků vycházelo z normy ČSN Zkoušku jsme prováděli z důvodu ověření zda mají zkušební vzorky správnou vlhkost po procesu klimatizace. Nejdříve jsme ale jednu skupinu vzorků vysoušeli na 0% vlhkosti. Před sušením jsme si zvážili vzorek na digitální váze s přesností na 0,01g tím jsme zjistili jeho hmotnost potřebnou k pozdějšímu výpočtu vlhkosti. Při sušení byla nastavena sušící teplota na 103 ± 2ºC. Zkušební vzorek bylo možné považovat za absolutně suchý, pokud se jeho hmotnost nezmění v intervalu dvou hodin o více než 0,01g. Hmotnost zkušebního tělíska po vysušení byla m = 7,972g. Tohoto údaje jsme pak využili při výpočtu vlhkosti vzorků klimatizovaných na požadovanou vlhkost. Výpočtem bylo ověřeno, že klimatizováním jsme dosáhli požadovaných vlhkostí, které byly v jednom případě 12% a v druhém 25%. K výpočtu vlhkosti byl použit vztah: w = m w m m 0 0 1OO kde: w.vlhkost m w...hmotnost vzorku před vysušením m 0...hmotnost vysušeného vzorku [%] 24

25 4.3 Materiál: Dřevina: Javor mléč (acer platanoides) Rozměry: Tloušťka (tangenciální směr) cca 20mm Šířka (radiální směr) cca 20mm Délka (podélný směr) cca 30mm Teplota: t = 20 C Hustota: průměr je ρ= 685 kg.m -3 Při výrobě vzorků na měření pevnosti v tlaku jsme brali zřetel na to, aby tato zkušební tělíska neměla odklon vláken od směru ve kterém byla měřena. Odklon vláken v podélném směru při stejném směru zatížení byl max. 5. Rovněž odklon vláken ve směru radiálním a tangenciálním se pohyboval od 5 nejvíce však 10. Díky tomu, že odklon ve všech třech směrech nepřekračoval 10 můžeme mluvit o speciálně ortotropních vzorcích, na kterých se prováděly zkoušky vlivu vlhkosti na pevnost dřeva v tlaku. Obr.7: Tlakové zkušební tělísko 25

26 4.4 Statistická metoda zpracování naměřených dat Při zpracování dat byl použit počítačový program Excel tabulkový editor Data byla zpracována podle těchto statistických charakteristik: Aritmetický průměr Směrodatná odchylka Rozptyl Aritmetický průměr: Charakterizuje hodnotu, okolo níž kolísají jednotlivé prvky souboru. _ 1 x = n n j= 1 x j Směrodatná odchylka: Je definována odmocninou rozptylu n..počet naměřených hodnot x j...naměřené hodnoty S = 1 n 1 n j= 1 ( x j x _ ) 2 n..počet naměřených hodnot x j...naměřené hodnoty Rozptyl: Je definován jako průměrná čtvercová odchylka okolo aritmetického průměru. S 2 n j= = 1 ( x j n _ x) 2 n..počet naměřených hodnot 26

27 x j...naměřené hodnoty 4.5 Použité vztahy při výpočtu: Určení hustoty vlhkého dřeva (dle ČSN ) ρ w = m V w w ρ w...hustota vlhkého dřeva [g.cm -3 ] m w...hmotnost vlhkého dřeva [g] V w...objem vlhkého dřeva [cm 3 ] Určení meze pevnosti v tlaku podél vláken (dle ČSN ) σ = F max a. b σ.mez pevnosti podél vláken F max.síla na mezi pevnosti a,b.příčné rozměry tělesa [MPa] [N] [mm] Určení konveční meze pevnosti v tlaku napříč vláken při zatížení celé plochy tělesa (dle ČSN ) σ k F = a. l F.velikost zatížení v dohodnuté mezi pevnosti v tangenciálním a radiálním směru [N] a.šířka zkušebního tělesa [mm] l.délka zkušebního tělesa [mm] 27

28 Určení modulu pružnosti v tlaku: E Fú. =. l S u kde: F ú.síla na mezi úměrnosti (N) l l původní délka tělesa před silovým působením (m) S plocha na kterou síla F působila (m 2 ) u l..absolutní celková pružná deformace ve směru silového působení (m) Přepočtový vztah pro přepočet modulu pružnosti při 12% vlhkosti: Z výpočtového vztahu pro modul pružnosti se stanový výpočtový vztah pro výpočet přepočtového koeficientu ά. Koeficient ά udává vztah vlhkosti k velikosti modulu pružnosti. [ +.( 12) ] E12 = Ew.1 α w E 12.modul pružnosti při 12% vlhkosti E W.modul pružnosti při dané vlhkosti materiálu α. je opravný koeficient udávající změnu pevnosti dřeva při změně vlhkosti o 1% w.daná vlhkost materiálu Určený výpočtový vztah pro výpočet koeficientu α E12 1 α = Ew w 12 28

29 Přepočtový vztah pro přepočet pevnosti dřeva při 12% vlhkosti: σ 12 = σ w + α( w 12) kde σ 12.pevnost dřeva při 12% vlhkosti σ w.pevnost dřeva při dané vlhkosti materiálu α.je opravný koeficient udávající změnu pevnosti dřeva při změně vlhkosti o 1% w.vlhkost dřeva Výpočtový vztah pro výpočet koeficientuα σ12 σ w α = w 1 ( 12) 29

30 5 Výsledky 5.1 Statistické zpracování dat pro zatížení vzorků v podélném směru Statistické hodnoty pro mez pevnosti v podélném směru Statistické hodnoty pro mez pevnosti v podélném směru jsou zpracovány v tabulce Při vlhkosti 0% byla naměřena průměrná mez pevnosti 79,21 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 6,26 a variační koeficient 7,9 %. 2. Při vlhkosti 12% byla naměřena průměrná mez pevnosti 81,07 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 3,08 a variační koeficient 4,69 %. 3. Při vlhkosti 25% byla naměřena průměrná mez pevnosti 37,34 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 6,95 a variační koeficient 18,62 %. Tabulka Mez pevnosti podél vláken Mez pevnosti v podélném směru Statistické charakteristiky 0% 12% 25% Stř. hodnota (MPa) 79,21 81,07 37,34 Chyba stř. hodnoty 1,05 0,64 1,15 Medián (MPa) 79, ,685 Směr. Odchylka (MPa) 6,2609 3,8053 6,9530 Var.koecifient (%) 7,90 4,69 18,62 Rozptyl výběru 39, , ,3451 Špičatost 11,8028-1, ,8967 Šikmost -2,7118-0,0316-4,5831 Rozdíl max-min (MPa) 36, ,4 46,04 Minimum (MPa) 51, ,46 0,06 Maximum (MPa) 87, ,86 46,1 Součet (MPa) 2772, , ,27 Počet Graf ukazuje vliv vlhkosti na mez pevnosti rovnoběžně s vlákny. Pevnost při 0% je 79,21 MPa což je o 1,86 MPa méně než při pevnosti při 12% (pevnost při 12% je 81,07 MPa).Pevnost při 25% je 37,34 MPa což je pokles oproti pevnosti při 12% o 43,73 MPa. V rozmezí vlhkostí 12% až 25% dochází při zvýšení vlhkosti dřeva o 1% k poklesu jeho pevnosti o 3,36 MPa. 30

31 100 Mez pevnosti v podélném smru zatížení Velikost zatížení (MPa) % 12% 25% Vlhkost vzorků při zkoušce Průměr Průměr±SmOdch Min-Max Graf 5.1.1: Vlivu vlhkosti na mez pevnosti 31

32 5.1.2 Statistické hodnoty pro modul pružnosti v podélném směru Statistické hodnoty pro modul pružnosti v podélném směru jsou zpracovány v tabulce Při vlhkosti 0% byl naměřen průměrný modul pružnosti 20591,85 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 10948,65 a variační koeficient 53,16% 2. Při vlhkosti 12% byl naměřen průměrný modul pružnosti 17184,40 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 7800,73 a variační koeficient 45,39 %. 3. Při vlhkosti 25% byl naměřen průměrný modul pružnosti 16170,54 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 5165,00 a variační koeficient 31,94 %. Tabulka Modul pružnosti podél vláken Modul pružnosti v podélném směru Statistické charakteristiky 0% 12% 25% Stř. hodnota (MPa) 20591, , ,54 Chyba stř. hodnoty 1850, ,56 860,83 Medián (MPa) 18331, , ,08 Směr. Odchylka (MPa) 10948, , ,00 Var.koecifient (%) 53,16 45,39 31,94 Rozptyl výběru , , Špičatost 3,0926 1,1267-0,50918 Šikmost 1,5594 1,1727 0, Rozdíl max-min (MPa) 50635, , ,77 Minimum (MPa) 7167, , ,84 Maximum (MPa) 57803, , ,61 Součet (MPa) , , ,4 Počet Graf ukazuje vliv vlhkosti na modul pružnosti rovnoběžně s vlákny. Modul pružnosti při 0% je 20591,85 MPa. Modul pružnosti při 12% je 17184,40 MPa. Modul pružnosti při 25% je 16170,54 MPa což je pokles oproti modulu pružnosti při 0% o 4421,31 MPa. V rozmezí vlhkostí 0% až 25% dochází při zvýšení vlhkosti dřeva o 1% k poklesu jeho modulu pružnosti o 176,85 MPa. 32

33 60000 Modul pružnosti v podélném smru zatížení Velikost zatížení (MPa) % 12% 25% Vlhkost vzorků při zkoušce Průměr Průměr±SmOdch Min-Max Graf 5.1.2: Vlivu vlhkosti na modul pružnosti 33

34 5.2 Statistické zpracování dat pro zatížení vzorků v radiálním směru Statistické hodnoty pro konvenční mez pevnosti v radiálním směru Statistické hodnoty pro konvenční mez pevnosti v radiálním směru jsou zpracovány v tabulce Při vlhkosti 0% byla naměřena průměrná konvenční mez pevnosti 9,55 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 2,44 a variační koeficient 25,63 %. 2. Při vlhkosti 12% byla naměřena průměrná konvenční mez pevnosti 9,50 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 1,46 a variační koeficient 15,42 %. 3. Při vlhkosti 25% byla naměřena průměrná konvenční mez pevnosti 4,57 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 0,73 a variační koeficient 16,00 %. Tabulka Konvenční mez pevnosti v radiálním směru Konvenční mez pevnosti v radiálním směru Statistické charakteristiky 0% 12% 25% Stř. hodnota (MPa) 9,55 9,50 4,57 Chyba stř. hodnoty 0,43 0,26 0,13 Medián (MPa) 9,935 9,38 4,485 Směr. Odchylka (MPa) 2,4478 1,4654 0,7312 Var.koecifient (%) 25,63 15,42 16,00 Rozptyl výběru 5,9915 2,1473 0,5347 Špičatost 1,4117 0,8840-0,0029 Šikmost -0,7963-0,4788 0,2052 Rozdíl max-min (MPa) 12,09 6,49 3,01 Minimum (MPa) 2,57 5,44 3,03 Maximum (MPa) 14,66 11,93 6,04 Součet (MPa) 305,72 294,38 146,23 Počet Graf ukazuje vliv vlhkosti na konvenční mez pevnosti v radiálním směru. Pevnost při 0% je 9,55 MPa. Pevnost při 12% je 9,50 MPa. Pevnost při 25% je 4,57 MPa což je pokles oproti pevnosti při 0% o 4,98 MPa. V rozmezí vlhkostí 0% až 25% dochází při zvýšení vlhkosti dřeva o 1% k poklesu jeho pevnosti o 0,199 MPa. 34

35 16 Konvekční mez pevnosti v radiálním směru zatížení Velikost zatížení (MPa) C 20 C 45 C Vlhkost vzorků při zkoušce Graf 5.2.1: Vlivu vlhkosti na konvenční mez pevnosti Průměr Průměr±SmOdch Min-Max 35

36 5.2.2 Statistické hodnoty pro modul pružnosti v radiálním směru Statistické hodnoty pro modul pružnosti v radiálním směru jsou zpracovány v tabulce Při vlhkosti 0% byl naměřen průměrný modul pružnosti 390,70 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 80,44 a variační koeficient 20,59% 2. Při vlhkosti 12% byl naměřen průměrný modul pružnosti 394,89 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 52,00 a variační koeficient 13,16 %. 3. Při vlhkosti 25% byl naměřen průměrný modul pružnosti 198,01 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 23,45 a variační koeficient 11,84 %. Tabulka Modul pružnosti radiálním směru Modul pružnosti v radiálním směru Statistické charakteristiky 0% 12% 25% Stř. hodnota (MPa) 390,70 394,89 198,01 Chyba stř. hodnoty 14,22 9,34 4,15 Medián (MPa) 412, ,17 198,72 Směr. Odchylka (MPa) 80, , ,4559 Var.koecifient (%) 20,59 13,16 11,84 Rozptyl výběru 6471, , ,1812 Špičatost 1,1078-0,0234 1,5977 Šikmost -1,1364-0,5131-0,4524 Rozdíl max-min (MPa) ,64 116,93 Minimum (MPa) 167,94 262,54 131,32 Maximum (MPa) 525,94 472,18 248,25 Součet (MPa) 12502, , ,28 Počet Graf ukazuje vliv vlhkosti na modul pružnosti v radiálním směru. Modul pružnosti při 0% je 390,70 MPa. Modul pružnosti při 12% je 394,89 MPa. Modul pružnosti při 25% je 198,01 MPa což je pokles oproti modulu pružnosti při 12% o 196,88 MPa. V rozmezí vlhkostí 12% až 25% dochází při zvýšení vlhkosti dřeva o 1% k poklesu jeho modulu pružnosti o 14,82 MPa. 36

37 550 Modul pružnosti v radiálním směru zatížení Velikost zatížení (MPa) C 20 C 45 C Vhlkost vzorků při zkoušce Průměr Průměr±SmOdch Min-Max Graf 5.2.2: Vlivu vlhkosti na modul pružnosti 5.3 Statistické zpracování dat pro zatížení vzorků v tangenciálním směru Statistické hodnoty pro konvenční mez pevnosti v tangenciálním směru Statistické hodnoty pro konvenční mez pevnosti v radiálním směru jsou zpracovány v tabulce Při vlhkosti 0% byla naměřena průměrná konvenční mez pevnosti 7,77 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 1,53 a variační koeficient 1,53 %. 2. Při vlhkosti 12% byla naměřena průměrná konvenční mez pevnosti 7,05 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 1,59 a variační koeficient 22,56 %. 3. Při vlhkosti 25% byla naměřena průměrná konvenční mez pevnosti 3,00 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 0,42 a variační koeficient 14,16 %. 37

38 Tabulka Konvenční mez pevnosti v tangenciálním směru Konvenční mez pevnosti v tangenciálním směru Statistické charakteristiky 0% 12% 25% Stř. hodnota (MPa) 7,77 7,05 3,00 Chyba stř. hodnoty 0,27 0,29 0,08 Medián (MPa) 7,745 7,53 3,02 Směr. Odchylka (MPa) 1,5344 1,5909 0,4250 Var.koecifient (%) 1, ,56 14,16 Rozptyl výběru 2,3543 2,5310 0,1806 Špičatost -0,1757 8,8302 0,5993 Šikmost -0,3404-2,5760-0,3967 Rozdíl max-min (MPa) 6,84 8,43 1,89 Minimum (MPa) 3,91 0,54 2,01 Maximum (MPa) 10,75 8,97 3,9 Součet (MPa) 248,49 218,6 93,12 Počet Graf ukazuje vliv vlhkosti na konvenční mez pevnosti v tangenciálním směru. Pevnost při 0% je 7,77 MPa. Pevnost při 12% je 7,05 MPa. Pevnost při 25% je 3,00 MPa což je pokles oproti pevnosti při 0% o 4,77 MPa. V rozmezí vlhkostí 0% až 25% dochází při zvýšení vlhkosti dřeva o 1% k poklesu jeho pevnosti o 0,19 MPa 16 Konvekční mez pevnosti v tangenciálním smru zatížení 14 Velikost zatížení (MPa) C 20 C 45 C Vlhkost vzorků při zkoušce Průměr Průměr±SmOdch Min-Max Graf 5.3.1: Vlivu vlhkosti na konvenční mez pevnosti 38

39 5.3.2 Statistické hodnoty pro modul pružnosti v tangenciálním směru Statistické hodnoty pro modul pružnosti v radiálním směru jsou zpracovány v tabulce Při vlhkosti 0% byl naměřen průměrný modul pružnosti 315,42 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 40,66 a variační koeficient 12,89% 2. Při vlhkosti 12% byl naměřen průměrný modul pružnosti 302,16 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 55,33 a variační koeficient 18,31%. 3. Při vlhkosti 25% byl naměřen průměrný modul pružnosti 135,47 MPa, směrodatná odchylka byla vypočtena na 14,89 a variační koeficient 11,01 %. Tabulka Modul pružnosti v tangenciálním směru Modul pružnosti v tangenciálním směru Statistické charakteristiky 0% 12% 25% Stř. hodnota (MPa) 315,42 302,16 135,47 Chyba stř. hodnoty 7,19 9,94 2,68 Medián (MPa) 324,25 315,09 137,06 Směr. Odchylka (MPa) 40, , ,8997 Var.koecifient (%) 12,89 18,31 11,01 Rozptyl výběru 1653, , ,0010 Špičatost -0, ,8957 0,2799 Šikmost -0,2622-3,0953-0,2385 Rozdíl max-min (MPa) 164,37 310,45 67,82 Minimum (MPa) 227,34 56,6 100,59 Maximum (MPa) 391,71 367,05 168,41 Součet (MPa) 10093, ,5 Počet Graf ukazuje vliv vlhkosti na modul pružnosti v tangenciálním směru. Modul pružnosti při 0% je 315,42 MPa. Modul pružnosti při 12% je 302,42 MPa. Modul pružnosti při 25% je 135,47 MPa což je pokles oproti modulu pružnosti při 0% o 179,95 MPa. V rozmezí vlhkostí 0% až 25% dochází při zvýšení vlhkosti dřeva o 1% k poklesu jeho modulu pružnosti o 7,19 MPa. 39

40 450 Modul pružnosti v tangenciálním smru zatížení 400 Velikost zatížení (MPa) % 12% 25% Vlhkost vzorků při zkoušce Průměr Průměr±SmOdch Min-Max Graf 5.3.2: Vlivu vlhkosti na modul pružnosti 5.4 Přepočtové koeficienty α vlivu vlhkosti na pevnost dřeva Přepočtové koeficienty α Směr zatížení / vlhkost Mez pevnosti Modul pružnosti Podélný směr 0 25 % - 0, % 0,087 - Radiální směr 0 25% 0, % - 0,153 Tangenciální směr 0 25% 0,063 0,053 40

41 6. Diskuse Z uváděných výsledků v kapitole 5.Výsledky, jsou zřejmé změny vyvolané působením vlhkosti na pevnost dřeva v tlaku. Rovněž je zřejmé, že naměřené hodnoty se neliší jen odlišnými vlhkostmi, ale také díky anizotropii dřeva. Různé vlastnosti dřeva v jeho třech směrech podélném, radiálním a tangenciálním, vyplývají z chemického složení dřeva a jeho anatomické stavby. Největší hodnoty únosnosti dřeva jsou tedy dosahovány v podélném směru zatížení při 0 12% vlhkosti dřeva. Důležitou roli při měření pevnosti dřeva v tlaku hraje také hustota, která vychází právě z anatomické stavby dřeva. Dřevo je i v tomto směru velmi zajímavým materiálem, kdy jeden faktor souvisí s druhým, ale našim cílem bylo především zjistit změny mechanických vlastností dřeva javoru, působením různých vlhkostí. Jak nám tedy ukazují tabulky a grafy v předchozí kapitole, můžeme potvrdit v odborné literatuře uváděnou teorii, že se vzrůstající vlhkostí se pevnostní a pružnostní vlastnosti dřeva javoru snižují. Tento trend by se však měl zastavit na mezi hygroskopicity, tzn. mezi 25 30% vlhkosti dřeva. Zkoušky vlivu vlhkosti na pevnost dřeva v tlaku byly prováděny jen do 25%, proto tato práce nemůže potvrdit co uvádí odborná literatura a to, že nad mezí hygroskopicity, tj. nad 30% vlhkosti dřeva, nemá voda volná významný vliv na mechanické vlastnosti dřeva. Nejprve jsme vzorky podrobovali zkouškám při zatížení v podélném směru. V tomto směru zatížení pozorujeme největší hodnoty, které nám vyšly při měření, dané již zmíněným chemickým složením a také anatomickou stavbou. Hodnoty v podélném směru byli zjišťovány pomocí zkoušek podle ČSN Zde pozorujeme, že vlhkost v rozmezí 0 12 % výrazně neovlivňuje pevnostní vlastnosti dřeva. I z tohoto zjištění můžeme potvrdit skutečnost, že není nutné například stavební řezivo určené pro stavbu domů z dřevěných rámových konstrukcí vysoušet na příliš nízké hodnoty. Je ale potřebné říci, že správná vlhkost dřevěných stavební prvků či materiálů na výrobu nábytku se posuzuje z mnoha faktorů, například relativní vlhkostí okolního prostředí. Mez pevnosti je tedy u směru zatížení podél vláken mezi 0% a 12% vlhkosti téměř stejná, rozdíl činí pouze 1,86 MPa. Průměrná hodnota pro pevnost dřeva javoru v tlaku ve směru vláken při vlhkosti 12% nám vyšla 81,07 MPa. Odborná literatura většinou uvádí mez pevnosti podél vláken při zatížení v tlaku v rozmezí od 30 do 75 Mpa podle druhu dřevin, kdy horní hranice je určena převážně pro nejtvrdší dřeviny. Javor patří mezi středně tvrdé dřeviny, proto můžeme říci, že námi naměřená hodnota se liší od hodnot v odborné literatuře. Tento výsledek můžeme zdůvodnit tím, že se pravděpodobně jednalo o dřevinu s vyšší hustotou. 41

42 Daleko menší mez pevnosti jsme naměřili v podélném směru při vlhkosti 25% a to jen 37,34 MPa. Zde už můžeme pozorovat markantní vliv vlhkosti na pevnost dřeva. Rozdíl mezi vlhkostí 12% a 25% činí 43,73 MPa. Pokles pevnosti mezi 12 25% vlhkosti při zvýšení vlhkosti o 1% je 3,36 MPa. Nejvyšší naměřená průměrná hodnota je při 12% vlhkosti a to, σ = 81,07 MPa. Při určování modulu pružnosti v podélném směru zatížení jsme zaznamenali už v rozmezí vlhkostí 0 12% poměrně velký rozdíl, který činil 3407,45 MPa. Dalo by se předpokládat, že při vlhkosti 25% bude modul pružnosti ještě menší, ale hodnota 16170,54 MPa je překvapivě velká. Vysvětleno to může být tím, že při měření došlo k dosud nezjištěné chybě. Modul pružnosti v rozmezí vlhkostí 0 25% klesá při zvyšování vlhkosti o 1% o 176,85 MPa. Nejvyšší průměrnou hodnotu modulu pružnosti jsme naměřili při 0% vlhkosti a to, E = 20591,85 MPa. Poté jsme vypočítali přepočtové koeficienty vlivu vlhkosti na pevnost dřeva. Použili jsme vztahů uvedených v kapitole 4.Metodika. Přepočtový koeficient pro mez pevnosti v podélném směru v rozmezí vlhkostí 12 25% byl vypočten na hodnotu α = 0,087 Přepočtový koeficient pro modul pružnosti v podélném směru v rozmezí vlhkostí 0 25% byl vypočten na hodnotu α = 0,0109 Dále jsme vzorky zatěžovali v radiálním směru. Hodnoty v radiálním směru byli zjišťovány pomocí zkoušek podle ČSN Zde můžeme pozorovat vliv vlhkosti na pevnost dřeva v tlaku v rapidně menších hodnotách oproti hodnotám, které byly uváděny při zatížení podél vláken. Můžeme zde opět vidět pouze nepatrný rozdíl mezi vlhkostmi 0% a 12%. Konvenční mez pevnosti se u těchto dvou vlhkostí liší o 0,05 MPa. Naopak konvenční mez pevnosti při vlhkosti 25% je výrazně nižší a to více jak o polovinu hodnoty než při 0% vlhkosti, rozdíl činí 4,98 MPa. Pokles meze pevnosti mezi 0 25% vlhkosti při zvýšení vlhkosti o 1% je 0,199 MPa. Nejvyšší naměřená průměrná hodnota je při 0% vlhkosti a to, σ = 9,55 MPa. Vliv vlhkosti na modul pružnosti v radiálním směru je při vlhkostech 0 12% opět poměrně malý. Rozdíl mezi těmito vlhkostmi je 4,19 MPa. Jiných hodnot bylo dosaženo při 25% vlhkosti. Naměřené hodnoty jsou o polovinu menší než v případě hodnot při 12% vlhkosti. Modul pružnosti je tedy u vlhkosti 25% 198,01 MPa. Modul pružnosti v rozmezí vlhkostí 12 25% klesá při zvyšování vlhkosti o 1% o 14,82 MPa. Nejvyšší průměrnou hodnotu modulu pružnosti jsme naměřili při 12% vlhkosti a to, E = 394,89 MPa. 42

43 Poté jsme vypočítali přepočtové koeficienty vlivu vlhkosti na pevnost dřeva. Použili jsme vztahů uvedených v kapitole 4.Metodika. Přepočtový koeficient pro mez pevnosti v radiálním směru v rozmezí vlhkostí 0 25% byl vypočten na hodnotu α = 0,043 Přepočtový koeficient pro modul pružnosti v radiálním směru v rozmezí vlhkostí 12 25% byl vypočten na hodnotu α = 0,153 Jako poslední zkoušku jsme provedli měření vlivu vlhkosti na mez pevnosti a modul pružnosti v tlaku v tangenciálním směru. Hodnoty v tangenciálním směru byli zjišťovány pomocí zkoušek podle ČSN Zde můžeme pozorovat vliv vlhkosti na pevnost dřeva v tlaku, tak jako u radiálního směru, v daleko menších hodnotách oproti hodnotám, které byly uváděny při zatížení podél vláken. Můžeme zde opět vidět pouze nepatrný rozdíl mezi vlhkostmi 0% a 12%. Konvenční mez pevnosti se u těchto dvou vlhkostí liší pouze o 0,72 MPa. Naopak konvenční mez pevnosti při vlhkosti 25% je výrazně nižší a to více jak o polovinu hodnoty než při 0% vlhkosti, rozdíl činí 4,77 MPa. Pokles meze pevnosti mezi 0 25% vlhkosti při zvýšení vlhkosti o 1% je 0,19 MPa. Nejvyšší naměřená průměrná hodnota je při 0% vlhkosti a to, σ = 7,77 MPa. Vliv vlhkosti na modul pružnosti v radiálním směru je opět při vlhkostech 0 12% poměrně malý. Rozdíl mezi těmito vlhkostmi je 13,26 MPa. Jiných hodnot bylo dosaženo při 25% vlhkosti. Naměřené hodnoty jsou o více jak polovinu menší než v případě hodnot při 0% vlhkosti. Modul pružnosti je tedy u vlhkosti 25% 135,47 MPa. Modul pružnosti v rozmezí vlhkostí 0 25% klesá při zvyšování vlhkosti o 1% o 7,19 MPa. Nejvyšší průměrnou hodnotu modulu pružnosti jsme naměřili při 0% vlhkosti a to, E = 315,42 MPa. Poté jsme vypočítali přepočtové koeficienty vlivu vlhkosti na pevnost dřeva. Použili jsme vztahů uvedených v kapitole 4.Metodika. Přepočtový koeficient pro mez pevnosti v tangenciálním směru v rozmezí vlhkostí 0 25% byl vypočten na hodnotu α = 0,063 Přepočtový koeficient pro modul pružnosti v tangenciálním směru v rozmezí vlhkostí 0 25% byl vypočten na hodnotu α = 0,053 Přepočtové koeficienty α udávající změnu pevnosti při změně vlhkosti o 1% jsme počítali u meze pevnosti v podélném směru v rozmezí vlhkostí 12 25%, a to z důvodu vyšší dosažené hodnoty meze pevnosti než při vlhkosti 0%. U modulu pružnosti v podélném směru jsme tento koeficient přepočítávali od 0% vlhkosti, z důvodu poměrně většího 43