BI03 Diagnostické metody ve stavebnictví DIAGNOSTICKÉ METODY PRO HODNOCENÍ KONSTRUKČNÍHO DŘEVA. Ing. Věra Heřmánková, Ph.D.

Transkript

1 BI03 Diagnostické metody ve stavebnictví DIAGNOSTICKÉ METODY PRO HODNOCENÍ KONSTRUKČNÍHO DŘEVA Ing. Věra Heřmánková, Ph.D.

2 PRŮZKUM DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ Důvodem k provádění průzkumu dřevěných konstrukcí může být havarijní stav objektu, objevení výskytu biologického napadení, úmysl změnit účel využití objektu, nebo tento průzkum může mít jenom preventivní charakter.

3 ALE ZAČNĚME OD ZAČÁTKU...

4 STAVBA DŘEVA Stavbu dřeva rozlišujeme dle měřítka zkoumání na: - makroskopickou vše, co lze pozorovat pouhým okem, případně pomocí zvětšovacího skla, - mikroskopickou úroveň buněk (nutný mikroskop), - submikroskopickou odlišnosti v konkrétní stavbě buněčné stěny.

5 Makroskopická stavba neboli struktura dřeva je tvořena souborem znaků, které vytvářejí na povrchu dřeva charakteristickou kresbu. Makroskopické znaky dřeva: - letokruhy - dřeňové paprsky - dřeňové skvrny - cévy - pryskyřičné kanálky - suky - povrchové a vzhledové vlastnosti

6

7 VLASTNOSTI DŘEVA Dřevo je výrazně anizotropní materiál, což znamená, že má v různých směrech odlišné vlastnosti.

8 Základní anatomické směry ve dřevě jsou: - axiální směr, který je rovnoběžný s podélnou osou kmene, - radiální směr, který je vedený ve směru dřeňových paprsků a je kolmý na plochu tangenciálního řezu, - tangenciální směr, který má směr tečny k letokruhům a je kolmý na plochu radiálního řezu. AS RS TS

9 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI DŘEVA Voda ve dřevě Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí hygroskopickým materiálem schopným přijímat nebo odevzdávat vodu, a má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí.

10 FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI DŘEVA Voda ve dřevě Ve většině případů voda ve dřevě ovlivňuje i vlastnosti dřeva a způsobuje často jejich zhoršení. Se změnou obsahu vody ve dřevě jsou spojeny změny fyzikálních a mechanických vlastností, odolnosti proti houbám a napadení hmyzem a další procesy.

11 Vlhkost dřeva Vyjadřuje se podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu. Vlhkost se nejčastěji vyjadřuje v procentech.

12

13 Hustota dřeva Hustota dřeva je charakterizována podílem hmotnosti a objemu dřeva při určité vlhkosti. Hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí, ale hmotnost a objem dřeva nerostou stejným způsobem.

14 Hustota dřeva domácích dřevin: - Dřeva s nízkou hustotou ρ 12 < 540 kg.m -3 borovice, smrk, jedle, topol, lípa, vrba, olše,... - Dřeva se střední hustotou ρ 12 = kg.m -3 modřín, tis, bříza, buk, dub, ořešák, jilm, jasan, třešeň... - Dřeva s vysokou hustotou ρ 12 > 750 kg.m -3 habr, zimostráz, dřín, moruše, akát...

15 MECHANICKÉ VLASTNOSTI DŘEVA Pevnost dřeva - v tlaku / v tahu S ohledem na směr působící síly k orientaci vláken a letokruhům dřeva rozlišujeme: - pevnost v tlaku / v tahu ve směru vláken - pevnost v tlaku / v tahu napříč vláken - ve směru radiálním - ve směru tangenciálním

16

17 Pracovní diagram dřeva namáhaného rovnoběžně s vlákny (plná čára) a kolmo k vláknům (čárkovaná čára)

18 Pevnost v tlaku rovnoběžně s vlákny Provádí se na tělesech bez suků a jiných vad a z výsledků zkoušek se usuzuje na vlastnosti dřeva i s vadami. Zkušební těleso musí mít plný průřez konstrukčního prvku a délku odpovídající 6-ti násobku průřezového rozměru. Potom platí:

19 Pevnost dřeva v tahu za ohybu Je jednou z nejdůležitějších mechanických vlastností. Zpravidla se sleduje pevnost dřeva v ohybu napříč vláken v tangenciálním směru (tangenciální ohyb).

20 Prostě podepřené zkušební těleso se zatěžuje ohybem symetricky dvěma břemeny při rozpětí rovnajícím se 18-ti násobku výšky. Potom platí: f m = M W = F max L b h 2 = 18 F max b h

21 Mechanické vlastnosti dřeva

22 Faktory ovlivňující pevnost dřeva Se stoupající vlhkostí se pružnostní a pevnostní vlastnosti dřeva snižují. 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.

23 S rostoucí hustotou se pevnost dřeva zvyšuje.

24 TŘÍDĚNÍ DŘEVA DLE NOREM Dřevo se třídí třemi různými způsoby: - vizuálně, - strojně, - dle tříd pevnosti

25 Vizuální třídění dřeva Dřevo se třídí jeho vizuálním posuzováním. Jakost dřeva se přitom určuje prostřednictvím vizuálně poznatelných charakteristik dřeva, především suků a šířky letokruhů.

26 Pro vizuální třídění dřeva podle pevnosti v současnosti platí česká technická norma ČSN Významné vlivy určující pevnost, jako je například hustota dřeva, mohou být vizuálně vystiženy pouze nedostatečně, například pomocí šířky letokruhů.

27

28 Strojní třídění dřeva Výše uvedené nevýhody vizuálního třídění dřeva podle pevnosti mohou být překonány strojním tříděním. Většina v současné době průmyslově používaných strojů na třídění jsou takzvané ohybové stroje, kterými se určuje průměrný modul pružnosti na krátkém rozpětí.

29 Třídy pevnosti dřeva V Evropské unii byl zaveden jednotný systém tříd pevnosti dřeva (ČSN EN 338) označených podle charakteristické pevnosti v ohybu. Pro zatřídění dřeva do těchto pevnostních tříd byly vypracovány normy ČSN EN 384 a ČSN EN 408, které popisují průkazné zkoušky některých fyzikálně-mechanických vlastností.

30 JEHLIČNATÉ DŘEVINY LISTNATÉ DŘEVINY PEVNOSTNÍ VLASTNOSTI (v N/mm 2 ) C14 C16 C18 C20 C22 C24 C27 C30 C35 C40 C45 C50 D18 D24 D30 D35 D40 D50 D60 D70 Ohyb f m,k f m,k Tah rovnoběžně s vlákny f t,0,k = 0,6 f m,k f t,0,k = 0,6 f m,k Tah kolmo k vláknům f t,90,k = 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 f t,90,k = 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Tlak rovnoběžně s vlákny f c,0,k = 5 (f m,k ) 0, f c,0,k = 5 (f m,k ) 0, Tlak kolmo k vláknům f c,90,k = 0,007 r k 2,0 2,2 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,1 3,2 f c,90,k = 0,015 r k 7,5 7,8 8,0 8,1 8,3 9,3 10,5 13,5 Smyk f v,k 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 f v,k 3,4 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,5 5,0 TUHOSTNÍ VLASTNOSTI (v kn/mm 2 ) Průměrná hodnota modulu pružnosti rovnoběžně s vlákny 5% kvantil modulu pružnosti rovnoběžně s vlákny Průměrná hodnota modulu pružnosti kolmo k vláknům Průměrná hodnota modulu pružnosti ve smyku HUSTOTA (v kg/m 3 ) E 0,mean , , E 0,mean 9, E 0,05 = 0,67 E 0,mean 4,7 5,4 6,0 6,4 6,7 7,4 7,7 8,0 8,7 9,4 10,1 10,7 E 0,05 = 0,84 E 0,mean 8,0 8,4 9,2 10,1 10,9 11,8 14,3 16,8 E 90,mean = E 0,mean / 30 0,23 0,27 0,30 0,32 0,33 0,37 0,38 0,40 0,43 0,47 0,50 0,53 E 90,mean = E 0,mean / 15 0,63 0,67 0,73 0,80 0,87 0,93 1,13 1,33 G mean = E 0,mean / 16 0,44 0,50 0,56 0,59 0,63 0,69 0,72 0,75 0,81 0,88 0,94 1,00 G mean = E 0,mean / 16 0,59 0,63 0,69 0,75 0,81 0,88 1,06 1,25 Hustota r k r k Průměrná hodnota hustoty r mean = 1,2 r k r mean = 1,2 r k POZNÁMKA: Tabelované hodnoty odpovídají dřevu s vlhkostí při teplotě 20 C a relativní vlhkosti 65%.

31 TRVANLIVOST DŘEVA Buňky dřeva se skládají z organických polymerů, které jsou náchylné na poškození abiotickými vlivy (oheň, slunce, voda, kyslík, emise apod.) a biologickými škůdci (bakterie, houby, hmyz, ptáci, savci apod.). Trvanlivost dřeva ovlivňuje mnoho faktorů, a to např. o jaký druh dřeva se jedná, ke je uchováváno a skladováno, k jakému účelu bylo použito, atd.

32 Dřevokazné houby (hniloba) Hniloba je závažnou vadou, jejímiž původci jsou houby. Houby napadají a poškozují velmi často už živý strom a tento proces pokračuje ve znehodnocování hotového výrobku. Hniloba se navíc projevuje až ve stadiu, kdy již nebývá možné dřevo zachránit.

33 Nejlepší a nejjednodušší ochranou pro dřevo je vysušení. Hniloba dřevo nenapadne v případě, nepřekročí-li vlhkost dřeva 20%. Nejrozšířenější dřevokazné houby - Dřevomorka domácí - Koniofora sklepní - Trámovka plotní - Pornatka Vaillantova

34 Dřevokazný hmyz Dřevu také škodí dřevokazný hmyz, který v něm vyžírá chodbičky. Podobně jako houby poškozuje hmyz dřevo v živém stromě i dřevo zpracované.

35 Dřevokazný hmyz má podstatně nižší nároky na vlhkost dřeva než dřevokazné houby. Pro napadení dřevokazným hmyzem postačuje vlhkost dřeva %. Dřevokazný hmyz - Kůrovci - Pilořitky - Hrbohlavci - Červotoči - Tesaříci - krovový, fialový, obrovský, skladištní, smrkový

36 NEDESTRUKTIVNÍ DIAGNOSTICKÉ METODY PRO HODNOCENÍ DŘEVA Základem diagnostiky dřeva zabudovaného ve stavbách je vizuální průzkum. Umožňuje odhalit viditelné poškození dřeva. Problém nastává ve chvíli, kdy je třeba přesně definovat celkové poškození jednotlivých prvků konstrukce, tzn. identifikovat rozsah vnitřního poškození, lokalizovat přechod mezi zdravou a poškozenou částí, a určit mechanické a fyzikální vlastnosti.

37 Zjištění vlhkosti Jelikož má vlhkost dřeva vliv na fyzikální i mechanické vlastnosti prvku, je tedy třeba ji vždy určit, zvláště při průzkumu konstrukcí in-situ. Zvýšený obsah vody může ovlivňovat výsledky průzkumu a zároveň může být dobrým vodítkem např. při identifikaci míst průsaku vody.

38 Při diagnostice zabudovaných prvků se používají především příruční vlhkoměry, kalibrované na zjišťování vlhkosti s ohledem na druh a teplotu dřeva.

39 Vizuální hodnocení Vizuálním hodnocením získáme informace nejen o vlastnostech a stavu materiálu, ale i o technologických postupech, dodatečných zásazích do konstrukce a také o přibližném stáří dřevěných konstrukcí. Touto metodou lze i určit druh použitého dřeva, charakteristické znaky prvku, vady dřeva, a odhadnout povrchové biotické a abiotické poškození prvku.

40 Největší úskalí vizuálního hodnocení vyplývá jednoznačně ze stanovení hodnotících kritérií a subjektivního hodnocení diagnostika. Vizuální hodnocení je proto vhodné zejména pro identifikaci kritických míst, která je třeba následně detailně vyhodnotit pomocí jiných nedestruktivních diagnostických metod.

41 Měření šíření ultrazvukových vln Měření rychlosti šíření ultrazvukových vln je jedna z nejpoužívanějších metod vyšetřování stavu konstrukcí. Měří se nejčastěji pomocí dvou sond, jedna z nich je budič ultrazvukového signálu, druhá snímač. Rychlost šíření vlny je závislá nejen na druhu dřeva, jeho vlastnostech, hustotě, atd., ale hlavně na jednotlivých anomáliích v růstu jako jsou např. suky, praskliny a různá námi hledaná poškození.

42 Rychlost šíření vln klesá se vzrůstající vlhkostí dřeva. V místě trhliny je doba průchodu vlny delší než ve zdravém dřevě. Stejně tak se šíří rychleji v místech zdravého dřeva a má tendenci se po těchto zónách svézt kolem defektů, čímž se opět zvýší doba průchodu vlny. Při diagnostice větších prvků dochází k útlumu signálu, což lze eliminovat použitím nižších frekvencí. Ty jsou ale méně citlivé na menší vnitřní vady prvku.

43 Při měření rychlosti šíření vln podél vláken získáme odhad vlastností celého prvku. Při průzkumech konstrukcí in-situ je ale většinou nemožné provést měření tímto způsobem. Při měření rychlosti prostupu napříč vlákny přikládáme sondy z obou protilehlých stran prvku, což je přesnější způsob měření, vyžaduje však přístup na obě protilehlé strany prvku. Pro diagnostiku celého prvku potřebujeme měření na více místech, tímto způsobem lze odhalit lokální poruchy.

44 Radiační diagnostické metody Do této skupiny se řadí radiometrie a radiografie, jejich výhodou je fakt, že jde o zcela nedestruktivní metody, což je cenné zejména při provádění diagnostiky historických dřevěných konstrukcí. Nevýhodou je nutnost zvláštních bezpečnostních opatření, vyplývající právě z práce s ionizujícím zářením.

45 Radiogram masivního jedlového trámu v konstrukci krovů historického objektu. Dobře je patrna struktura dřeva, suky, trhliny ve středu rozvinutá středová hniloba, z povrchu trámu neviditelná.

46 Odporové diagnostické metody Řada nedestruktivních metod hodnocení zabudovaného dřeva ve stavbách je založena na nepřímém zjišťování hustoty, která úzce souvisí s mechanickými vlastnostmi. Pro zjišťování hustoty se jako nejvhodnější způsob osvědčily odporové metody, které dobře reagují na změny ve struktuře materiálu na rozdíl od metod zcela neinvazivních (např. ultrazvukové metody).

47 Odporové zarážení trnu Nejčastěji používaný přístroj Pilodyn je jednoduché mechanické zařízení umožňující měřit hloubku průniku trnu. Při dynamickém nárazu kalibrovaného výstřelu, který zajišťuje penetraci trnu do povrchu materiálu, je registrována hloubka průniku trnu. Maximální hloubka zaražení trnu je 40 mm. Poškození testovaného materiálu je téměř zanedbatelné.

48 Testování v radiálním směru se jeví jako průkaznější z důvodu pravidelného střídání jarního a letního dřeva v rámci letokruhu. Při odklonu od radiálního směru menším než 30, je variabilita měření do 10%. V případě použití tangenciálního směru měření Pilodynem dochází často k zaražení trnu jenom do jedné části letokruhu, čímž se výsledky značně zkreslují.

49 Pro zjišťování hustoty konstrukčního dřeva na základě měření vlhkosti a hloubky vniku rázového trnu do dřeva lze použít tento vztah doc. Kuklíka: ρ 12 = 0, , t p [1 0,007 (w - 12)] Kde: ρ 12 hustota dřeva při vlhkosti 12% [kg.m -3 ], t p hloubka zaražení trnu do dřeva o známé vlhkosti [mm], w vlhkost dřeva v době měření [%].

50 Z hustoty potom můžeme pomocí odvozených regresních vztahů zjistit pevnost v ohybu či modul pružnosti:

51 Odporové mikrovrtání Odporové mikrovrtání se liší od odporového zarážení trnu zejména tím, že díky pozvolnému pronikání materiálem nabízí přehled o jeho vnitřní struktuře.

52 Výstupem z měření je grafický záznam. Vrcholy v grafickém záznamu odpovídají vyšším odporům a tedy i vyšší hustotě, zatímco nižší body jsou spojené s nižším odporem a nižší hustotou. Hodnocení stavu příčného průřezu je velmi vhodné pro lokalizaci a identifikaci rozsahu vnitřního poškození, ale vyžaduje mnohonásobné, časově náročné vrtání

53 Odporové zatlačování trnu Na podobném principu, jako předchozí dvě metody funguje další řada přístrojů, například nově vyvinut přístroj pro stanovení mechanického odporu k pozvolnému vnikání tělesa a to do hloubky odpovídající rozměrům běžných dřevěných konstrukčních prvků, využitelný pro následné nepřímé stanovení hustoty a mechanických vlastností dřeva.

54 Radiální mikrovývrty Princip metody je založen na odběru vzorků válcovitého tvaru, na kterých je ve speciálním zatěžovacím zařízení zjišťována pevnost a modul pružnosti v tlaku podél vláken. Radiální vývrty mají průměr 4,8 mm. Délka vývrtů by měla být minimálně 20 mm.

55 Radiální vývrty mohou být použity pro zjištění několika dalších vlastností dřeva, jako jsou např.: hustota, vlhkost. Lze je využít i pro identifikaci druhu dřeva, dendrochronologické datování, mikroskopickou analýzu hniloby, vizuální hodnocení a zároveň i penetraci ochranných látek.

56 Tahové mikrovzorky Vzorky pro určení tahové pevnosti se odebírají pomocí okružní pilky. Odběr se provádí dvěma řezy orientovanými pod úhlem 45 vzhledem k povrchu prvku. Hloubka řezu je upravená tak aby vznikla trojúhelníková lišta s pravoúhlými stěnami v rozmezí 5-8 mm.

57 Odebrané vzorky nesmí obsahovat žádné přirozené vady (suky, trhliny...). Na oba konce vzorků se nalepí dřevěné bloky pravoúhlého tvaru, které slouží pro uchycení mikrovzorku v zatěžovacím stroji. Při zkoušce je zjišťována tahová pevnost a modul pružnosti. Výsledky dosažené touto zkouškou není třeba korelovat a mohou být prohlášeny za srovnatelné se standardními.

58 Endoskopie Pomocí endoskopu lze vizuálně posuzovat biotické poškození dřeva, dále je možné odhadovat vývojové stádium hub, změny barvy, zborcení, povrchový nebo kostkovitý rozklad a mechanické poškození. Dřevokazný hmyz může být identifikován pomocí charakteristického požerku a trusu.

59 DESTRUKTIVNÍ DIAGNOSTICKÉ METODY Odběr vzorků pro laboratorní zkoušky Výsledky nedestruktivního zkoušení vlastností dřeva jsou vždy jen orientační, pro jejich zpřesnění by měly být provedeny průkazné zkoušky. Průkazné zkoušky slouží k přímému stanovení některých fyzikálněmechanických vlastností.

60 Referenční příčné rozměry zkušebních těles při stanovení mechanických vlastností konstrukčního dřeva musí být 150 mm. Alternativně lze stanovovat mechanické vlastnosti na malých bezvadných tělesech, nebo na tělesech konstrukčních rozměrů.

61 DENDROCHRONOLOGIE Dendrochronologie je metoda datování dřeva založená na měření šířek letokruhů. Umožňuje datovat dřeva z archeologických výzkumů, dřevěné prvky historických staveb především krovy, stejně jako nábytek, dřevěné sochy nebo staré obrazy.

62 Vzorek dřeva je změřen na speciálním měřicím stole, odkud je informace přenášena do počítače. Zde se pak zobrazí ve formě křivky, která je pomocí datovacího programu porovnávána se standardní křivkou pro danou dřevinu.

63 Dendrochronologicky lze zjistit přesný rok, ve kterém se jednotlivé letokruhy na vzorku vytvořily.

64 PRŮZKUM DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ Důvodem k provádění průzkumu dřevěných konstrukcí může být havarijní stav objektu, objevení výskytu biologického napadení, úmysl změnit účel využití objektu, nebo tento průzkum může mít jenom preventivní charakter.

65 Souhrnné zhodnocení průzkumu: - Definování rozsahu poškození - Definování stupně poškození - Definování aktuálnosti poškození - Určení biotických škůdců dřeva - Stanovení příčin poškození

66 Poškození Stupeň poškození Návrh sanace BI03 Diagnostické metody ve stavebnictví Obr. Zakreslení poškozených míst krov nad presbytářem příčná vazba č.9. Tab. Výsledky průzkumu krov nad presbytářem příčná vazba č.9. Číslo vazby 9 Prvek Část krovu Rozměry Kons t. sana šířka výška délka ce výmě ra (mm) (mm) (mm) (m 3 ) Vazný trám Č - T 2 N 0,000 Sloupek Č 2 N 0,000 Krokev S Č 2 N 0,000 Pásek Č - H 2 N 0,000 Rozpěra Č 1-2 N 0,000 Hambalek spodní H 3 C 0,108 Vazný trám H 4 P - 3 0,151 Sloupek H 4 C 0,216 Krokev H 4 C 0,189 Námětek J H 4 C 0,058 Pásek Č - H 2 N 0,000 Rozpěra Č 1-2 N 0,000 Hambalek spodní H 3 C 0,108

67 Jaký typ opravy zvolit závisí nejen na statickém výpočtu, ale i na technickém stavu trámů. Pokud se vyskytne konstrukce napadená biologickými škůdci (plíseň, dřevokazné houby), trám se musí odříznout zhruba 1 m od nakaženého místa. Nakažená část je potřeba vhodně odstranit spálením nebo odvezením na skládku.

68

69 Původní i doplňované části krovu musí být ošetřeny prostředky proti biotickým škůdcům. Konkrétní přípravek doporučí odborník na základě provedeného mykologického průzkumu. Správně opravený a ošetřený krov vydrží při vhodné péči další stovky let. Přitom je zachována jeho historická hodnota.

70 Dotazy? Děkuji za pozornost! Ing. Věra Heřmánková, Ph.D.