Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. Lesnická a dřevařská fakulta. Ústav základního zpracování dřeva

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav základního zpracování dřeva Bakalářská práce Posouzení použitelnosti různých typů schodů z hlediska fyzikálních a mechanických vlastností Pavel Bayer

2 Ó»²¼» ±ª»³4¼4 µ?» ² ½µ? «² ª» ªÞ ²4 F ª?µ ¼²3 ± ½±ª?²3 ¼(»ª Ô» ² ½µ? ¼(»ª ( µ? º µ«ßµ ¼»³ ½µ# ±µæ ÔÍ îððëñîððê ÆßÜ_ÒS ÞßÕßÔ_HÍÕW ÐÎ_ÝÛ Æ ½±ª» Í «¼ ²3 ±¹ ³ Ѿ± Ð ª» Þ» Ü(»ª ( ª3 Ü(»ª ( ª3 Ò?»ª 7³ «æ б ±²3 ±«b» ²± ' ²#½ ' ½ ±¼'»¼ µ º µ? ²3½ ³»½ ² ½µ#½ ª ²± 3 Æ? ¼ ± ª ½±ª?²3æ ïò Fª±¼ îò Ý3 ³4(»²3?½» íò Ý µ» µ ô ± ª ±¼²± ±«b 3 ª ¾ ²#½ ' ½ ±¼' ìò Ó» ±¼ µ ±¼²±½»²3 ± ±ª²?²3 ª ¾ ²#½ ' ½ ±¼'» ³4(»²3³ ² ±¼± ²± ± ' ±¾»²3 ª µ± ëò Ûµ±²±³ ½µ7 ª ±¼²±½»²3 ª ¾ ²#½ ' ª#¾4 ± ³? ²3 ª ² êò Æ?ª4

3 α?½»æ íð ² Í» ² ³ ±¼¾± ²7» «æ ïò ÕÎ_ÔôÐò ØÎ_ÆÍÕCôÖò Õ±³ ± ²3 ³»? ² ¾? ¼(»ª ò ïò ª ¼òÞ ²±æ Ó»²¼» ±ª»³4¼4 µ?» ² ½µ? «² ª» ô îððëò îðê ò ÍÞÒ èðóéïëéóèéèóçò îò ÜÎ_ÐÛÔßô Õò ÆßÝØô Öò Í ½µ7 ³» ±¼ òø ± ±¾±» ²3 ± ¼(»ª ( µ7 ± µ ²²7 ± ²b»²# ó ª3 ò ïò ª ¼ò Þ ²±æ Ó»²¼» ±ª»³4¼4 µ?» ² ½µ? «² ª» ô ïçççò ïíë ò ÍÞÒ èðóéïëéóìïêóíò íò ÕÎ_ÔôÐòôØÎ_ÆÍÕCôÖòô îððêæ Õ±³ ± ²3 ³»? ² ¾? ¼(»ª ò X? îæ Ü# ª ª»²7³ ª²3 ³»? ô½ª 8»²3 ïòª ¼ò Þ ²±æ ÓÆÔËò ïéð ò ÍÞÒ èðóéïëéóçíìóí ìò ÓßÌÑÊ Xôßòôïççíæ Ú µ? ²3 ³»½ ² ½µ7 ª ²± ¼(»ª ³»? '² ¾? ¼(»ª ò ïòª ¼òÞ ²±æ ÓÆÔËò îïî ò ÍÞÒ ðèðóéïëéóðèêóçò ëò ÐÑrÙßÖô ßò µ± òô ïççíæ w «µ & ª ²± ¼»ª ò ïòª ¼ò Ð 3 ±¼ Þ ª ò ïççíò ìèê ò ÍÞÒ èðóðéóððêðóïò êò Ü «³ ¼?²3 ¾ µ?( µ7?½»æ Ì» ³3² ±¼»ª ¼?²3 ¾ µ?( µ7?½»æ ¾(»»² îððë µª4»² îððê Ôò Íò Ð ª» Þ» ½±ª» ¾ µ?( µ7?½» Ü ò ²¹ò Ð ª» Õ? ª»¼±«½3 ¾ µ?( µ7?½» ¼±½ò ²¹ò Ô ¼ ª Í ±²»µô Ýͽò ª»¼±«½3 & ª«¼±½ò ²¹ò Ô ¼ ª Í ±²»µô Ýͽò ¼4µ ² ÔÜÚ ÓÆÔË ªÞ ²4

4 Poděkování Dovolují si tímto poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce Dr. Ing. Pavlu Královi,. za odborné vedení, metodickou pomoc a cenné rady, které mi poskytl při zpracování této práce. 5

5 Prohlašuji, že jsem Bakalářskou práci na téma Posouzení použitelnosti různých typů schodů z hlediska fyzikálních a mechanických vlastností zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová 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. 6

6 Autor Bakalářské 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:... 7

7 Abstrakt Vypracoval: Bayer Pavel Název: Posouzení použitelnosti různých typů schodů z hlediska fyzikálních a mechanických vlastností Předmětem práce je přehled fyzikálních a mechanických vlastností materiálu na výrobu schodů z dostupných materiálů a zdrojů a jejich vzájemné srovnání. Přehled je doplněn pokusem, ve kterém se posuzovala změna meze pevnosti v ohybu materiálů vystavených dlouhodobému působení vody. Zkoušenými materiály byly masivní dřevo, překližovaná deska a laminovaná MDF deska. Klíčová slova: Schodiště Nasáklivost Mez pevnosti v ohybu Abstrakt Work up: Bayer Pavel Title: Appreciation application different types flight of steps in light of physical and mechanical quality Article work is view physical and mechanical quality material on production flight of steps from accessible materials and sources and their confrontation. View is supplemented attempt, in which judge modification ultimate bending strength materials subject longtime operation waters. Examinational materials were massive wood, plywood board and laminate MDF board. Key words: Flight of steps Absorptivity Ultimate bending strength 8

8 1. Úvod V současné době je na našem trhu velké množství materiálů vhodných pro výrobu schodišť. Tyto materiály mohou být dodávány také ve formě polotovarů, které usnadňují a urychlují realizaci celé schodišťové konstrukce. Posouzení vhodnosti a použití těchto materiálů pro jednotlivé případy je základním předpokladem správného fungování a dlouhé životnosti konstrukce. Schopnost posuzovat individuální případy je založena na nutnosti vybrat preferované fyzikální a mechanické vlastnosti jednotlivých materiálů. Tyto základní vlastnosti se mění v závislosti na místě používání, druhu zatížení, a volbě konstrukce schodiště. 2. Cíl práce Cílem práce bylo vytvořit přehled fyzikálních a mechanických vlastností materiálu na výrobu schodišť z dostupných zdrojů a jejich vzájemné srovnání. Tento přehled byl doplněn pokusem, ve kterém se posuzovala změna meze pevnosti v ohybu materiálů při vystavení dlouhodobému působení vody. Zkušebními materiály byly masivní dřevo, překližovaná deska a laminovaná MDF deska. 3. Literární část 3.1. Schodiště Schodiště je prostor, který vertikálně spojuje jednotlivá podlaží budovy tak, aby umožnil pohodlný a bezpečný výstup a sestup osobám do kteréhokoli podlaží. Každodenně se mnohokrát setkáváme se schody, ať už venku, nebo v budovách. Jsou na ně kladeny mnohé požadavky z hlediska technického, provozního, bezpečnostního, funkčního a v neposlední řadě i nároky na snadnou a rychlou údržbu. To vše ve spojení s dlouhou životností a vysokou estetickou hodnotou ústí v množství zásad, pravidel a předpisů. Schodiště je prostor natolik komplikovaný, že ho nelze řešit samostatně. Provoz schodiště navazuje na další komunikace vnitřní i vnější, souvisí s celkovým charakterem domu a je součástí komplexního řešení již při návrhu budovy. Ze všech těchto důvodů je schodiště důležitá část budovy a zasluhuje si tedy zvláštní pozornost jak investora, tak architekta, projektanta i stavitele. 9

9 Typologie schodišť Schodiště patří svou funkcí a charakterem mezi prostory ovlivňující obytné prostředí. Výstup po schodišti patří mezi namáhavé činnosti a člověk při něm zatěžuje organismus asi dvakrát více, než při běžné chůzi. Návrh schodiště a jeho celého prostoru, dispoziční a konstrukční stránka návrhu, volba materiálu a vhodných výtvarných prvků, bezpečnost a hospodárnost to všechno jsou hlediska, která by se měla zvažovat při úvaze o stavbě nebo rekonstrukci schodiště. Základní požadavky kladené na schodiště lze shrnout do následujících bodů: - pohodlné - bezpečné při výstupu i sestupu - snadno dostupné ze všech uvažovaných míst - dobře větratelné správně osvětlené - úsporně navržené - staticky vyhovující - odolné vůči opotřebení Základní pojmy a názvosloví Terminologie schodišť Schodiště je prostor, který spojuje dvě mimoúrovňová podlaží. Schodišťové rameno spojuje dvě výškové úrovně, musí mít minimálně tři na sebe navazující stupně a maximální dovolený počet stupňů v jednom rameni je 16 (u rodinných domů je povoleno 18 stupňů). Při větším počtu stupňů musí být odděleny mezipodestou. Jako délku a šířku ramene označujeme rozměry ramene v půdorysu. Výstupní čára je myšlená čára, která se kreslí do půdorysu schodiště a naznačuje směr výstupu. Začíná kroužkem na hraně nástupního stupně v rameni. U přímých schodišťových ramen se kreslí v ose ramene, u zakřivených mimo osu. Podesta, někdy také odpočívadlo, je vodorovná plocha na začátku nebo na konci schodišťového ramene, ležící v úrovni podlaží. Leží-li mezi schodišťovými rameny mezi výškovou úrovní jednotlivých podlaží (u dvouramenných schodišť většinou v polovině výšky podlaží), nazýváme ji mezipodesta. Schodišťový prostor je prostor vymezený pro schodiště. 10

10 Zrcadlo je volný prostor uvnitř schodišťového prostoru, ohraničený schodišťovými rameny a podestou téhož schodiště. Zábradlí je svislá ochranná konstrukce na volné straně schodišťového ramene a podesty. Jeho součástí je madlo, které slouží k přidržování při chůzi po schodišti. Neníli u schodiště zábradlí (u schodiště ohraničeného z obou stran stěnami), musí být alespoň na jedné stěně připevněno madlo. Schodnice je šikmý nosný prvek schodišťového ramene, který podle tvaru a typu schodiště nese (podporuje) jednotlivé stupně. Podle polohy rozlišujeme schodnici u stěny a schodnici u zrcadla, podle tvaru schodnici přímou nebo zakřivenou. U zakřivených schodišťových ramen se spojovací část mezi schodnicemi (v místě kosých stupňů) nazývá ohybník. Schodišťové vřeteno je středová nosná konstrukce, do které jsou vetknuty nebo která jiným způsobem podporuje schodišťové stupně točitého schodiště. Schodišťový stupeň podle polohy rozlišujeme nástupní, je první stupeň schodišťového ramene. Výstupní jsou všechny běžné stupně ve schodišťovém rameni. Ukončující je poslední stupeň ve schodišťovém rameni, který je většinou ve stejné výškové úrovni jako podesta. Šířka stupně je v půdorysu viditelná šířka stupnice, zatímco šířka stupnice je skutečný rozměr stupnice (její šířka). Výška stupně je svislá vzdálenost mezi stupnicemi dvou sousedních stupňů. Stupnice je horní vodorovná část stupně s nášlapnou plochou. Podstupnice je svislá přední část stupně. U dřevěných schodišť nemusí vždy být součástí schodiště. Terminologie fyzikálních a mechanických vlastností Mez hygroskopicity je takovou rovnovážnou vlhkostí, kterou dosáhne dřevo dlouhodobě vystavené prostředí (vzduchu), jehož relativní vlhkost je blízká bodu nasycení (φ = 99,5%). Modul pružnosti vyjadřuje vnitřní odpor materiálu proti pružné deformaci. Mez pevnosti vyjadřuje odpor proti trvalému porušení, vyjadřuje se napětím, při kterém se poruší soudržnost tělesa. 11

11 3.2. Materiály pro dřevěná schodiště Masivní dřevo Všechny části schodiště mohou být vyrobeny z masivního nebo lepeného dřeva, vlhkost by měla být okolo 10%, aby nedocházelo k nadměrným objemovým změnám a deformacím při sesychání. Vhodnými dřevinami jsou tvrdé listnaté dřeviny, jako je dub, buk, jasan, javor, třešeň, ořech, odolné proti otěru, z jehličnatých dřevin borovice, modřín, jedle. Přední hrana stupnic by měla být zaoblená, aby nedošlo k jejímu vylomení, a tím opotřebení stupnice. Stupnice z masivního dřeva jsou slepeny na šířku, aby se předešlo jejich zborcení a deformacím, tloušťka stupnice podle druhu dřeviny a vzdálenosti podpěr činí minimálně 40 až 50 mm. Schodnice se většinou vyrábějí z masivního dřeva, pro zabránění deformací se u přímých částí schodnic se deska uprostřed rozdělí a znovu se slepí na požadovanou šířku. Pravá strana dřeva se při lepení klade směrem ven Překližované materiály Překližovaná deska deska se vzájemně slepenými vrstvami, přičemž směr vláken sousedních vrstev je na sebe kolmý, jednotlivé dýhy odpovídají pravidlu symetrie. Překližované desky MULTIPLEX jsou Obr. 1 celobukové překližky složené z mnoha vrstev dýh, které jsou spojeny fenol - formaldehydovým lepidlem. Pro své vynikající pevnostní vlastnosti jsou používány především na slévárenské modely, pracovní desky stolů, schodiště a pevnostně namáhané díly v nábytkářském průmyslu. Tloušťka: 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40 mm Vlhkost: 5-15 % Na konstrukci překližek vhodných pro výrobu schodišť se používají dýhy tvrdých dřevin pojené fenol - formaldehydovými lepidly. U stupnic z dýhovaných stavebních překližek musí být nášlapná dýhovaná vrstva v minimální tloušťce 2,5 mm u tvrdého dřeva a 5 mm u dřeva měkkého. 12

12 Schodišťový systém Topstep Základ systému tvoří schodové elementy, kde je jako nosič použita vysoce kvalitní deska MDF. Vrchní strana je opatřena vysokotlakým laminátem s protismykovou úpravou, používaným při výrobě laminátových podlah, spodní strana je opatřena speciálním protitahovým papírem, Obr. 2 zabraňujícím vniknutí případné vlhkosti do nosiče. Jsou především určeny pro vnitřní účely a suché provozy s normálním klimatem (rodinné domy, byty a menší kanceláře). Nedoporučujeme použití do exteriérů a vlhkých místností (koupelny, WC, sprchy, sauny apod). Nedílnou součástí schodišťového systému TOPSTEP jsou hliníkové vyrovnávací lišty, které ve spojení se schodovými elementy a doporučenými tmely a montážní pěnou, tvoří kompaktní celek Materiály pro povrchovou úpravu Všechny částí schodiště musí být povrchově ošetřeny, u stupnic by měl mít povrch vysokou odolnost proti opotřebení a měl by být neklouzavý. Pro povrchové úpravy schodišť jsou vhodné například polyuretanové laky, které musí být nanášeny v dostatečné tloušťce a po opotřebení včas obnoveny. Povrchové nátěry mohou být provedeny jako transparentní nebo jako krycí, u kterých jsou menší nároky na povrchovou kvalitu dřeva. Oleje, vosky a přírodní lazury na dřevo ponechávají dřevu jeho přírodní charakter, ale jsou méně odolné proti opotřebení, u olejů a vosků není zaručen neklouzavý povrch. 13

13 3.3. Fyzikální vlastnosti materiálů používaných na výrobu schodišť Základní fyzikální vlastnosti dřeva - Vztah dřeva a tekutin - Rozměrové změny spojené se změnou vlhkosti - Hustota dřeva a pórovitost dřeva - Tepelné vlastnosti dřeva - Povrchové a optické vlastnosti dřeva Vztah dřeva a tekutin Vlhkost Přítomnost kapalin ve dřevě se nazývá vlhkostí dřeva. Rozeznáváme dva druhy vlhkostí: - vlhkost absolutní vyjadřuje se podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu - vlhkost relativní vyjadřuje se podílem hmotnosti vody k hmotnosti mokrého dřeva. 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. w w abs rel mw m = m mw m = m w m w - hmotnost vlhkého dřeva m 0 hmotnost absolutně suchého dřeva V závislosti na podílu vody ve dřevě ve vztahu k sušině rozlišujeme tři hraniční hodnoty: - Absolutně suché dřevo ustálený poměr hmotnosti sušiny při sušení dřeva teplotou 103 ± 2 C, tzn. že se ve dřevě nenachází žádná voda vázaná ani volná. Tato vlhkost se vyjadřuje vlhkostí absolutně suchého dřeva w abs = 0%. 14

14 - Vlhkost při nasycení buněčných stěn mikrokapilární systém v buněčné stěně je zcela zaplněn vodou. Tato vlhkost se vyjadřuje mezí nasycení buněčných stěn MNBS nebo mezí hygroskopicity (MNBS MH = 22 35%). - Vlhkost při nasycení dřeva mikro- i makrokapilární systém je plně nasycen vodou, dřevo obsahuje maximální množství vody. Tato vlhkost se vyjadřuje maximální vlhkostí dřeva (w max = %) Nasáklivost a navlhavost Nasáklivost dřeva je schopnost dřeva v důsledku pórovité stavby nasávat vodu ve formě kapaliny. Nasáklivost je užitečná při posuzování maximální vlhkosti dřeva. Maximální vlhkost má dřevo, je-li plně nasyceno vodou vázanou a lumeny jsou plně naplněny vodou volnou. Množství volné vody je závislé především na objemu pórů ve dřevě, který je nepřímo úměrný hustotě dřeva. Podstata metody zjišťování nasáklivosti dřeva a materiálů na bázi dřeva spočívá ve zjišťování hmotnosti zkušebních těles po ponoření na stanovený čas do vody o stálé teplotě. Zjištění nasákavosti se provádí při přímém působení vody, a navlhavosti při působení vzdušné vlhkosti Rozměrové změny spojené se změnou vlhkosti Mění-li se vlhkost dřeva v rozsahu vody vázané, dřevo podléhá rozměrovým změnám. Snížení vlhkosti dřeva mokrého k mezi hygroskopicity (odpaření vody volné) nemá významný vliv na změnu rozměrů. Sesýchání a bobtnání je lokalizováno v buněčné stěně, kde dochází k oddalování či přibližování fibrilární struktury. Tím se mění rozměry jednotlivých elementů a dřeva jako celku Bobtnání Bobtnáním α nazýváme schopnost dřeva zvětšovat svoje rozměry při příjímání vázané vody v rozsahu vlhkosti 0 MH. Rozeznáváme bobtnání lineární (v jednotlivých anatomických směrech podélném, radiálním, tangenciálním), plošné (změna plochy tělesa) a objemové (změna objemu tělesa). Bobtnání dřeva od absolutně suchého stavu do meze hygroskopicity označujeme jako bobtnání celkové (maximální). 15

15 α i a = a iw2 iw1 a iw1 100 a Rozměr tělesa, jeho plocha, objem [m, m 2, m 3 ] i Index udávající směr, plochu, nebo objem w 1 Vlhkost před bobtnáním [%] w 2 Vlhkost po ukončení bobtnání [%] Pro praktické účely je vhodné znát procentickou změnu rozměrů, plochy nebo objemu, jestliže se vlhkost změní o 1%. K tomu slouží koeficient bobtnání K α, který se vypočte ze vztahu: K α i = α w K α koeficient bobtnání α i částečné bobtnání [%] Δw rozdíl vlhkostí [%] Sesýchání Sesýcháním β nazýváme proces, při kterém se zmenšují lineární rozměry, plocha, nebo objem tělesa v důsledku ztráty vody vázané. Podobně jako bobtnání můžeme sesýchání vyjádřit vztahem: β i a = a iw1 iw2 a iw2 100 a Rozměr tělesa, jeho plocha, objem [m, m 2, m 3 ] i Index udávající směr, plochu, nebo objem w 1 Vlhkost před sesýcháním [%] w 2 Vlhkost po ukončení sesýchání [%] Sesýchání se řídí podobnými zákonitostmi jako bobtnání a rozeznáváme stejně definované další charakteristiky koeficient sesýchání K βi a diferenciální sesýchání β dif. 16

16 Tab. 1. Koeficienty bobtnání a sesýchání vybraných dřevin dřevina objemové radiální tangenciální K β K α K β K α K β K α BK 0,47 0,55 0,17 0,18 0,32 0,35 DB 0,43 0,50 0,18 0,19 0,27 0,29 JS 0,45 0,52 0,18 0,19 0,28 0,31 Ugolev (1975) Hustota dřeva a pórovitost dřeva Ve srovnání s jinými materiály je určení hustoty u dřeva poměrně obtížné vzhledem k hygroskopicitě dřeva. Jak hmotnost tak i objem dřeva jsou velmi ovlivněny vlhkostí dřeva. Přesto jde o jednu z nejvýznamnějších charakteristik dřeva, která významně ovlivňuje většinu fyzikálních a mechanických vlastností dřeva Hustota dřevní substance Dřevní substancí nazýváme hmotu buněčných stěn bez submikroskopických dutin, lumenů a mezibuněčných prostor. Hustota dřevní substance ρ S je potom vyjádřena poměrem hmotnosti dřevní substance m S a příslušného objemu V S. ρ = m V S S ρ objemová hmotnost [kg/m 3 ] m S hmotnost dřevní substance [kg] V S objem dřevní substance [m 3 ] Tato veličina kolísá v rozmezí kg/m 3 zejména v závislosti na chemickém složení. Jednotlivé skupiny dřev mají odlišný podíl chemických konstituant, z nichž zejména procentické zastoupení ligninu kolísá v rozmezí %. Průměrnou hustotu a procentickým zastoupením základních stavebních látek buněčné stěny celulóza 1560 kg/m 3, hemicelulózy 1500 kg/m 3 a lignin 1350 kg/m 3 jsou dány rozdíly v hustotě dřevní substance. Vzhledem k podobnému podílu těchto látek u různých dřevin nezávisí ρ S prakticky na druhu dřeviny. Jako průměrná hodnota ρ S pro všechny dřeviny se uvádí 1530 kg/m 3. 17

17 Hustota dřeva Hustota dřeva udává hmotnost jednotkového objemu dřeva při určité vlhkosti, vypočítá se z podílu hmotnosti a objemu dřeva. Pro charakteristiku hustoty dřeva používáme nejčastěji následující vlhkostní stavy: a) hustota dřeva v suchém stavu (w = 0%) b) hustota dřeva při vlhkosti 12% c) hustota dřeva vlhkého (w > 0%) Pro možnost porovnání výsledků a použití při teoretických výpočtech používáme hustotu v absolutně suchém stavu ρ 0. Pod absolutně suchým stavem rozumíme 0% vlhkost dřeva. Hustota dřeva v suchém stavu ρ 0 je menší než hustota dřevní substance, protože součástí dřeva jsou i mikrokapiláry a lumeny plněné vzduchem: ρ 0 = m V 0 0 ρ 0 objemová hmotnost [kg/m 3 ] m 0 hmotnost dřevní sušiny [kg] V 0 objem dřevní sušiny [m 3 ] Hustota se zvyšuje s vlhkostí, ale hmotnost a objem dřeva nerostou stejným způsobem. Zatímco hmotnost dřeva roste se zvyšující se vlhkostí až do maximálního nasycení (maximální vlhkosti dřeva), objem se zvyšuje jen do MH. Tab. 2. Hustota dřevin a používaných konstrukčních materiálů Dřevina Hustota [kg/m 3 ] ρ 0 ρ 12 BK DB JS MDF Překližka BK Překližka BR Ugolev (1975) 18

18 Pórovitost dřeva Jestliže je hustota dřevní substance mezi dřevy téměř neměnná, závisí hustota dřeva zejména na anatomické stavbě dřeva tloušťce buněčných stěn a průměru buněk. Mikropóry buněčných stěn, lumeny buněk a mezibuněčné prostory tvoří póry o průměrech 1nm - 500μm. Objem pórů v jednotkovém objemu suchého dřeva vyjadřuje pórovitost dřeva P, celková pórovitost je možné definovat jako V P = p V 0 V p objem pórů V 0 objem suchého dřeva Pórovitost dřeva poskytuje informace o důležitých aspektech stavby dřeva a přispívá k pochopení těch vlastností, které závisí na pórovité struktuře dřeva propustnosti a difúzi vody ve dřevě. Z technologického hlediska má velký význam při procesu povrchové úpravy dřeva Tepelné vlastnosti dřeva Tepelné vlastnosti dřeva nás zajímají nejčastěji při řešení praktických problémů spojených se sušením dřeva a využitím tepelně izolačních vlastností dřeva. Zajímá nás například, kolik je třeba dodat teplo systému dřevo voda, aby se ohřál na požadovanou teplotu, a dále jaká je teplota v daném bodě tělesa a daném čase. Méně se již setkáváme s otázkami změn rozměrů tělesa spojených se změnou teploty Teplotní roztažnost Zvyšování teploty tělesa způsobuje zvyšování energie molekul, a v konečném důsledku i zvětšení rozměrů tělesa. Teplotní roztažnost je charakterizována koeficientem teplotní roztažnosti α i, který je definován podobně jako koeficient bobtnání či sesýchání podílem změny nového rozměru a rozměru původního při lineární závislosti na teplotě: α i l T l0 = l T 0 α i koeficient teplotní roztažnosti v i-směru [m.m -1.K -1 ] l 0 počáteční rozměr l T rozměr po změně teploty ΔT [m] [m] 19

19 Koeficient teplotní roztažnosti αi vyjadřuje změnu jednotkové délky dřeva při jeho ohřátí o 1K. V důsledku anizotropie dřeva jsou rozměry αi v jednotlivých směrech podobné jako u bobtnání či sesýchání, αt : αr : αl = 15 : 10 : 1, ale hodnoty jsou zhruba 10 4 krát menší. S ohledem na takto nízké hodnoty koeficientu teplotní roztažnosti α, můžeme teplotní rozměrové změny dřeva ve srovnání s vlhkostními zanedbat. Výjimkou jsou technologické procesy zpracování dřeva lisováním, kde je změna teploty výrazně vyšší než změna vlhkosti a kde teplotní změny rozměrů jsou porovnatelné s vlhkostními. Tab. 3. Orientační hodnoty teplotní roztažnosti druh dřeva hustota ρ α t 10 6.α r 10 6.α l [kg.m -3 ] Smrk ,6 23,9 3,5 Bříza ,4 32,2 3,6 Javor ,6 28,4 4,2 Kolman a Coté (1968) Měrné teplo Dřevo, stejně jako každá jiná látka, je schopna teplo akumulovat. Veličinou této vlastnosti je měrné teplo c. Tato veličina udává množství tepla, které je nutné dodat na ohřátí jednotkové hmotnosti o 1K Q c = m T c měrné teplo [J.kg -1.K -1 ] Q množství tepla [J] m hmotnost tělesa [kg] ΔT rozdíl teplot [K] Hmotnost absolutně suchého tělesa je hmotností dřevní substance, proto c nezávisí na druhu dřeva ani na hustotě. Pro absolutně suché dřevo při teplotě 0 C je průměrná hodnota měrného tepla udávána 1,45 kj.kg -1.K -1. Měrné teplo závisí na teplotě a vlhkosti dřeva. Měrné teplo vlhkého dřeva c w se určuje z měrného tepla suchého dřeva a vody pomocí směšovacího pravidla: 20

20 c w = 0 c + wc l + w v c 0 měrné teplo suchého dřeva c 0 = 1,45 kj.kg -1.K -1 c v měrné teplo vody c v = 4,182 kj.kg -1.K -1 w absolutní vlhkost dřeva [g.g -1 ] Tab. 4. Závislost měrného tepla dřeva na vlhkosti Dřevina Měrné teplo dřeva při vlhkosti w 0% 5% 10% 20% 30% 100% DB 1,45 1,59 1,67 1,91 2,37 2,79 BK 1,46 1,6 1,71 1,92 2,41 2,83 Horáček (2001) Přenos tepla ve dřevě Znalost procesů spojených s přenosem (sdílením) tepla ve dřevě nám umožňuje předvídat rychlost teplotního spádu a rozložení teplot v tělese při existenci gradientu teplot v tělese. Přenos tepla ve dřevě se může teoreticky uskutečňovat ve třech základních formách vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) a sáláním (radiací). Teplo se přenáší vnitřním pohybem molekul v závislosti na jejich vzdálenosti a kinetické energii. Molekulární pohyb je mnohem intenzivnější u tuhých látek než u tekutin, protože přenos tepla probíhá vzájemnými srážkami částic. U tekutin jsou tyto navzájem vzdáleny mnohem více, než je tomu u pevných látek, a proto u tekutin dochází k menší četnosti srážek a přenos tepla je pomalejší. Vedení tepla (kondukce) Probíhá-li přenos tepla v hmotném prostředí, jehož objemové elementy zůstávají v klidu, je přenos tepla charakterizován vedením. Tepelný tok v látce je obecně popsán Fourierovým zákonem vedení tepla. Koeficient tepelné vodivosti vyjadřuje množství tepla, které proteče jednotkovou plochou za jednotku času při jednotkovém gradientu teploty. Koeficient tepelné vodivosti tedy popisuje změnu teploty v prostoru a předpokládá konstantní průběh v čase, což odpovídá stacionárním podmínkám děje. Koeficient teplotní vodivosti a má stejný rozměr jako koeficient difúze D (m 2.s -1 ), a vyjadřuje schopnost materiálu vyrovnávat teplotní rozdíly. Koeficient teplotní 21

21 vodivosti a je měřítkem doby nutné k rovnoměrnému prohřátí na určitou teplotu při sušení dřeva. Tepelné vodivost dřeva závisí do značné míry na hustotě a vlhkosti dřeva. Tab. 5. Koeficienty tepelné vodivosti vybraných materiálů Materiál Koeficient tepelné vodivosti [W.m -1.K -1 ] dřevo 0,25 0,45 dřevo 0,12 0,18 PDP dle použitých dřevin MDF 0,082 0,163 Horáček (2001) Babiak Regináč (1990) Proudění tepla Proudění je přenos tepla hmotným prostředím, jehož objemové elementy vykonávají translační pohyb. Prouděním se tedy popisuje tepelný tok v tekutinách nebo na rozhraní tekutiny a pevné látky. Teplo se při proudění přenáší pohybem makroskopických částic látky tekutiny. V závislosti na působení vnějších sil se proudění dělí na - proudění volné (přirozené) pohyb tekutiny je vyvolán samovolnou změnou teploty (např. v důsledku změny hustoty tekutiny) - proudění nucené pohyb tekutiny je vyvolán působením vnějších sil (např. ventilátor, kompresor) Sálání (radiace) tepla Sálání je přenos energie mezi dvěma tělesy o různé teplotě pomocí elektromagnetických vln. K přenosu energie není potřeba na rozdíl od kondukce a konvekce hmotného prostředí Hořlavost dřeva Samotná hořlavost není fyzikální veličinou ale veličinou popisnou, která vyjadřuje chování dřeva při působení vyšších teplot. Při studiu hořlavosti dřeva se porovnávají jen změny chemického složení, anatomické stavby a fyzikálních vlastností, ke kterým došlo vlivem proběhnutí termooxidační reakce. Hoření dřeva představuje 22

22 termický rozklad vazeb základních chemických komponent dřeva a změnu jeho chemického složení za vzniku nových produktů. Zařazení materiálu mezi hořlavé látky závisí na řadě kritérií, která jsou zkoušena podle odpovídajících norem (ČSN, DIN 4102). Hořlavost dřeva je určována bodem vzplanutí, bodem hoření, bodem zápalnosti a termickým rozkladem dřeva Body vzplanutí, hoření a zápalnosti Bodem vzplanutí je označována taková teplota dřeva, při které se v důsledku termického rozkladu vyvine dostatečné množství plynů, které ve směsi se vzduchem po přiblížení plamene vzplanou a po jeho oddálení uhasnou. Bod vzplanutí leží u dřeva v rozmezí C a závisí na druhu dřeva, hustotě, chemickém složení a vlhkosti dřeva. Bod vzplanutí je jasně definovatelný pouze u tekutin. Bodem hoření je označovaná taková teplota dřeva, při které dřevo po oddálení vnějšího zdroje plamene samo dále hoří. Bod hoření se u dřeva pohybuje mezi C. Bodem zápalnosti je označovaná taková teplota, při které se plyny vzniklé termickým rozkladem při dodání kyslíku samovolně vznítí. Bod zápalnosti u dřeva leží mezi C. Tab. 6. Doba vzplanutí vybraných dřevin v závislosti na teplotě okolí Čas vzplanutí dřeva v závislosti na teplotě Dřevo 200 C 250 C 300 C 350 C 400 C SM 19,6 5,3 2,1 1,0 0,3 DB 13,3 4,7 1,6 1,2 0,5 Horáček (2001) Doba od zahájení působení zvýšené teploty a dodávky kyslíku po samovznícení vyvíjejících se plynů ze dřeva (zápalnosti dřeva) se vyjadřuje časem vzplanutí. Toto zpoždění v čase závisí na hustotě, vlhkosti a chemickém složení dřeva. S rostoucí hustotou a vlhkostí dřeva roste, se zvyšujícím se obsahu doprovodných látek tuků a pryskyřic klesá. 23

23 Tab. 7. Výhřevnost jednotlivých chemických látek podíl ve dřevě [%] Jehličnany listnáče Výhřevnost H [MJ.kg -1 ] Termický rozklad při teplotě T [ C] celulóza ,3 17, hemicelulózy lignin ,6 28, Horáček (2001) Akustické vlastnosti dřeva Dřevo je materiálem s velmi dobrými akustickými vlastnostmi. Akustické vlastnosti jsou vyjadřovány schopností materiálu utlumit, vést nebo zesílit zvuk. Zvukem se nazývá mechanické vlnění prostředí, které vnímáme sluchovým orgánem jako zvukový vjem. Jeho vnější příčinou je uspořádaný kmitavý pohyb molekul hmotného prostředí přenášený působením sil, kterými molekuly na sebe vzájemně působí. Zvuk se proto šíří jen v hmotném prostředí. Subjektivně se dají zachytit zvukové vlny s frekvencí Hz. Zvuk jako mechanické vlnění může být charakterizován vlnovou délkou, amplitudou vlnění, frekvencí a rychlostí šíření zvuku. Zvuk se šíří rychlostí c, která závisí na frekvenci f a vlnové délce λ podle vztahu c = λ f Šíření zvuku ve dřevě V pružném prostředí pevných látkách a tekutinách jsou částice mezi sebou vázány nebo na sebe působí při vzájemných srážkách. Tyto vazby způsobují, že kmitání částic se v kontinuu přenáší a dochází k šíření mechanického vlnění, které je doprovázeno vznikem elastických vln. Na rozdíl od řady technických materiálů (zejména kovů) je studium šíření vln ve dřevě výrazně složitější, protože dřevo vykazuje anizotropní vlastnosti související s chemickým složením a anatomickou stavbou. Při podélném kmitání dochází ke změnám relativního prodloužení malých úseků tyče, které se šíří v podélném směru. Toto relativní prodloužení je normálovou deformací tělesa. Rychlost šíření zvuku je tím 24

24 větší, čím je větší modul pružnosti a menší hustota dřeva. Rychlost šíření zvuku ve dřevě je tedy závislá na dřevině a má také anizotropní charakter. Rychlost šíření zvuku ve dřevě je ve směru vláken podobná jako u kovů (železo m.s -1, měď m.s -1 ), ale napříč vláken je průměrně 3krát menší. Poměr hodnot rychlosti šíření zvuku ve dřevě podél a napříč vláken v radiálním a tangenciálním směru lze vyjádřit přibližně c L : c R : c T = 15 : 5 : 3. Velikost uvedených poměrů závisí na dřevině a na poměru modulů pružnosti podél vláken a kolmo na vlákna. Rychlost šíření zvuku se zvyšuje s hustotou dřeva, závislost je však malá a prakticky nevyužitelná. Rychlost šíření zvuku klesá s rostoucí vlhkostí dřeva. Rychlost šíření zvuku ve vodě je m.s -1, proto zejména ve směru vláken se s rostoucí vlhkostí zvyšuje odpor prostředí proti šíření zvukové vlny. Tab. 8. Rychlost šíření zvuku vybranými dřevinami Druh dřeva ρ [kg.m -3 ] modul pružnosti E [MPa] Rychlost zvuku c [m.s -1 ] s vlákny na s vlákny na vlákna c :c vlákna SM ,47 BK ,27 DB ,61 Kollmann a Coté (1968) Povrchové a optické vlastnosti dřeva Povrch dřeva Povrch dřeva je plocha, která odděluje dřevní substanci od okolního prostředí. Rozlišujeme vnější a vnitřní povrch dřeva. Geometrie a morfologie povrchu je dána především jeho anatomickou stavbou a způsobem opracování. Dřevo je složitým komplexem rozměrově odlišných makroskopických, mikroskopických a submikroskopických dutin, které vytvářejí značný vnitřní povrch dřeva. měrný vnitřní povrch dřeva, který se uplatňuje zvláště při sorpci, dosahuje m -2.g -1. Textura dřevěných povrchů je převážně dána makroskopickou stavbou dřeva, která je výsledkem stavby, tvaru a šířky letokruhů. Vzhledem k nehomogenitě letokruhů, příčné řezy dřeva nevytvářejí spojité povrchy, ale mají charakter pórovité 25

25 plochy. Tato plošná pórovitost závisí na velikosti lumenů a šířce buněčných stěn a je obdobou objemové pórovitosti dřeva Barva Barvou rozumíme zrakový vjem, který je závislý na spektrálním složení odrážených světelných paprsků. Světlo se chová podle Maxwellovy teorie jako jakékoliv jiné elektromagnetické záření šířící se extrémně vysokými rychlostmi. Všechny typy elektromagnetického záření šířící se ve volném prostoru stejnou rychlostí, a to přibližně m.s Mechanické vlastnosti dřeva a materiálů na bázi dřeva Mechanické vlastnosti dřeva a materiálů na bázi dřeva, při použití na výrobu schodišť nebo jejich částí můžeme rozdělit na statické vlastnosti, jako je tah, tlak, smyk, ohyb a kroucení a skupinou jsou mechanické vlastnosti, které charakterizují vlastnosti materiálu při používání, patří zde tvrdost povrchu, drsnost (skluznost), pevnost držení spojovacích prostředků. Druhy deformací u dřeva Buněčné stěny dřeva jsou tvořeny komplexy přírodních polymerů, které mají dlouhé molekulové řetězce. Orientace těchto řetězců určuje chování dřeva při zatížení. Působením vnějších sil mohou na polymeru vznikat následující druhy deformací: - Deformace okamžitá pružná způsobená vratnými změnami průměrných rozestupů mezi řetězcovými molekulami polymerů (objevují se okamžitě při působení síly a po jejím uvolnění se okamžitě ztrácejí) - Deformace pružná, rozvíjející se v čase někdy označována jako elastická deformace spojená s vratným přeskupením řetězcových molekul (zvětšuje se postupně s časem a zaniká až za určitý čas po uvolnění) - Deformace plastická vazce tekoucí způsobená smíšením řetězcových molekul, zůstává i po odstranění působící síly (označuje se také jako deformace trvalá, zbytková) 26

26 Statická pevnost materiálu Pevnost v tlaku S ohledem na směr působící síly k orientaci vláken a letokruhům dřeva rozlišujeme: a) Pevnost v tlaku ve směru vláken b) Pevnost v tlaku napříč vláken 1. ve směru radiálním 2. ve směru tangenciálním U materiálů na bázi dřeva se stanovuje pevnost v tlaku rovnoběžně s rovinnou desky (u překližek a laťovek ve směru vláken a kolmo na vlákna povrchové dýhy) a kolmo na rovinu desky. Tlaková pevnost dřeva ve směru vláken 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. Průměrná hodnota meze pevnosti v tlaku ve směru vláken u dřev s vlhkostí 12% je cca 50MPa. Tab. 9. Hodnoty meze pevnosti v tlaku ve směru vláken druh dřeva mez pevnosti [MPa] při vlhkosti [%] a více JS 59,0 32,5 DB 57,5 30,4 BK 55,5 26,0 SM 44,4 19,5 Ugolev (1975) Mez úměrnosti v tlaku ve směru vláken je pro některé druhy (modřín, borovice, jasan, dub, jedle) průměrně 70% meze pevnosti. Hodnoty meze úměrnosti jsou v literatuře uváděny následovně: - tvrdé listnaté dřeviny 66% - měkké listnaté dřeviny 70% - jehličnany 70% meze pevnosti Uvedené rozdíly jsou důsledkem anatomické stavby jednotlivých druhů dřeva. 27

27 Pevnost dřeva v tlaku napříč vláken Při působení tlaku napříč vláken nedochází ve většině případů k celkovému porušení tělesa. Proto pevnost v tlaku 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. Někdy se uvádí také termín mez otlačení, a to pro pevnost v tlaku napříč vláken na část délky tělesa. Rozlišují se v podstatě tři druhy pevnosti v tlaku napříč vláken: - tlak na celou plochu - tlak na část délky (místní tlak) - tlak na část dálky a šířky Hodnoty konvenční meze pevnosti dřeva v tlaku napříč vláken na celou plochu a v tlaku na část délky se liší. Hodnoty získané experimentálně pro tlak napříč vláken na část délky jsou v průměru o 20 25% vyšší než pro tlak napříč vláken na celou plochu. Tento rozdíl se vysvětluje dodatečným odporem vláken při ohybu na hranách tlačeného tělesa. Hodnoty konvenční meze pevnosti při zatížení dřeva v radiálním a tangenciálním směru se příliš neliší. Dřeva se 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 druhy dřeva 10krát menší než mez pevnosti při tlaku ve směru vláken. Tab. 10. Pevnost v tlaku konstrukčních materiálů Materiál pevnost v tlaku kolmo na rovinu desky [MPa] DVD - tvrdé 9,0 14,0 PDP 11ti vrstevná 1,5 9ti vrstevná 2,1 Matovič (1993), Požgaj Regináč (1990) 28

28 Tab. 11. Konvenční meze pevnosti vybraných dřevin druh dřeva Konvenční mez pevnosti [MPa] tlak napříč vláken ve směru tlak napříč vláken na část délky ve směru radiálním při vlhkosti [%] tangenciálním při vlhkosti [%] radiálním při vlhkosti [%] tangenciálním při vlhkosti [%] a více a více a více a více JD 2,2 1,3 2,4 1,0 2,5 1,5 3,4 1,4 DB ,4 5,6 5,5 3,3 BK 6,2 3,7 6,5 3,9 11,7 7,0 11,2 6,7 JS ,7 5,2 11,0 6,6 Ugolev (1986) Pevnost v ohybu Pevnost v ohybu je jednou z nejdůležitějších mechanických vlastností dřeva a materiálů na bázi dřeva. U dřeva rozlišujeme dva způsoby namáhání vzhledem k průběhu dřevních vláken a to: a) pevnost v ohybu, kdy vlákna probíhají rovnoběžně s podélnou osou tělesa a síla působí napříč vláken v radiálním a tangenciálním směru. b) pevnost v ohybu, kdy vlákna probíhají kolmo na podélnou osu tělesa a to buďto je příčný řez orientován ve směru působící síly, nebo kolmo k působící síle Pevnost v ohybu překližovaných desek Pevnost v ohybu překližovaných desek se uvažuje: a) kolmo na rovinu překližky 1. průběh vláken povrchové dýhy je rovnoběžný s podélnou osou tělesa 2. průběh vláken povrchové dýhy je kolmý na podélnou osu tělesa b) rovnoběžně s rovinou překližky 1. průběh vláken povrchové dýhy je kolmý na podélnou osu tělesa 2. průběh vláken povrchové dýhy je ve směru podélné osy tělesa U dřevotřískových desek se rozlišuje pevnost v ohybu: a) kolmo na rovinu desky b) rovnoběžně s rovinou desky 29

29 Tab. 12. Meze pevnosti vybraných dřevin ve statickém ohybu druh dřeva Mez pevnosti dřeva při statickém ohybu [MPa], při vlhkosti [%] a více SM 79,5 44 JS ,5 DB 107,5 68 BK 108,5 64,5 Ugolev (1975 a 1986) Tab. 13. Mez pevnosti vybraných dřevovláknitých desek typ dřevovláknité desky pevnost v ohybu kolmo na rovinu desky [MPa] tvrdá, h = 3,3mm 33,3 polotvrdá, h = 20mm 25,5 polotvrdá, h = 10mm 37,6 Požgaj Regináč (1990) Tab. 14. Meze pevnosti v ohybu u překližovaných desek druh překližky pevnost v ohybu kolmo na rovinu desky [MPa] s vlákny povrchové dýhy na vlákna povrchové dýhy buková, 7 vrstevná 116,3 72,0 h = 8mm, vodovzdorná buková, 11 vrstevná 87,0 70,7 h = 15mm, vodovzdorná kombinovaná, buk smrk 5 vrstevná, h = 9mm močovinové lepidlo 80,5 46,8 Požgaj Regináč (1990) Smyková pevnost Smyk má významnou, někdy rozhodující úlohu při různých zatíženích. Při smykových zatíženích spolupůsobí ještě jiná napětí, takže při stanovování pevnosti ve smyku je třeba respektovat jednotlivé případy, kde smyk má rozhodující vliv. Proto je 30

30 nezbytné rozlišovat a také samostatně zjišťovat: pevnost ve smyku, pevnost ve smyku z ohybu a pevnost v kroucení. U dřeva se rozlišují následující druhy pevnosti ve smyku: a) smyková pevnost ve směru vláken v radiální rovině b) smyková pevnost ve směru vláken v tangenciální rovině c) smyková pevnost napříč vláken v radiální rovině d) smyková pevnost napříč vláken v tangenciální rovině e) smyková (střihová) pevnost napříč vláken v příčné rovině v radiálním směru f) smyková (střihová) pevnost napříč vláken v příčné rovině tangenciálního směru U materiálů na bázi dřeva se stanovují následující charakteristiky: a) horizontální smyk b) smyková pevnost v rovině desky (u překližek a laťovek se označuje tato charakteristika také jako pevnost lepení smykem v rovině desky) c) smyková pevnost kolmo na rovinu desky Smyková pevnost ve směru vláken Dřevo má ve směru vláken poměrně malou smykovou pevnost. Smyková pevnost dřeva je v tangenciální rovině v porovnání s radiální o 10 30% vyšší. Tento rozdíl se zvyšuje se stoupajícím zastoupením dřeňových paprsků ve dřevě. Dřevo jehličnanů má v obou rovinách smykovou pevnost ve směru vláken přibližně stejnou. V průměru je mez pevnosti ve směru vláken asi 1/5 meze tlakové pevnosti dřeva ve směru vláken. I když má dřevo poměrně malou smykovou pevnost ve směru vláken, často je tímto způsobem namáháno. Tab. 15. Hodnoty meze pevnosti ve smyku ve směru vláken druh dřeva mez pevnosti ve smyku [MPa] ve směru vláken v rovině radiální při vlhkosti [%] tangenciální při vlhkosti [%] a více a více smrk 6,9 4,1 6,8 4,4 jasan 13,9 9,4 13,4 8,7 dub 10,2 7,6 12,2 9,0 buk 11,6 7,0 14,5 8,9 Ugolev (1986) 31

31 Smyková pevnost napříč vláken Smyková pevnost napříč vláken v příčné rovině je přibližně 4krát vyšší než smyková pevnost ve směru vláken (kolem 40 MPa) Trvalá pevnost dřeva Dřevo v konstrukcích je obvykle namáháno dlouhodobě, a to jednak přibližně stejným zatížením nebo měnícím se kmitavým zatížením. Mezní hodnoty charakterizující pevnost materiálu se v závislosti na čase u obou druhů zatížení mění, snižují se. Proto nelze při předpokládaném trvalém statickém nebo kmitavém zatížení použít mezních hodnot vlastností z krátkodobých statických zatížení, ale hodnot, které odpovídají dlouhodobému charakteru zatížení Technologické vlastnosti Schopnost držet spojovací prostředky V praxi se rozlišuje dynamická a statická únosnost spojů. Statická únosnost se obvykle stanovuje jako síla potřebná na vytažení nebo vniknutí spojovacího prostředku do materiálu nebo odpor proti jeho vytažení. Zjišťovaná síla se může vztahovat na jednotku plochy dotyku spojovacího prostředku s materiálem nebo na jeho délku. Schopnost materiálu držet spojovací prostředky závisí na druhu, hustotě, vlhkosti a u konstrukčních materiálu na tloušťce desky. Vysycháním dřeva se jeho schopnost držet v něm již existující spojovací prostředky snižuje, neboť pružné deformace se mění a tření udržující spojovací prostředky v materiálu se snižuje. Dynamická únosnost se obvykle zjišťuje jako trvalá únosnost při kmitavém zatížení. Vyjadřuje se procentuálně ke statické spojovacích prostředků Tvrdost dřeva Tvrdostí rozumíme schopnost materiálu klást odpor vnikání tělesa do jeho struktury. Tvrdost materiálu se zkouší podle dvou nejrozšířenějších zkušebních postupů, a to podle Brinella a podle Janky. Pro dřevo a jeho anizotropní vlastnosti se zkouší tvrdost čelní, radiální a tangenciální plochy. 32

32 Brinellova metoda Podstata zkoušky spočívá v zatlačování ocelové kuličky o průměru 10mm stabilní silou, ta je v závislosti na hmotnosti a tvrdosti materiálu (100, 200, 1000N). Tvrdost se poté stanoví na základě průměru otlačené plochy. Tvrdost se poté vypočte ze vzorce: H B 2F = π. D.( D D 2 d 2 F působící síla na kuličku D průměr kuličky [N] [mm] d průměr otlačené plochy v dřevě [mm] H B Brinellova tvrdost [MPa] Jankova metoda Metoda je založena na zatlačování ocelové polokoule o průměru 5,64mm do hloubky 5,64mm, čímž se vytvoří plocha o průměru 1cm 2, která se přepočte na tvrdost podle vzorce. Zkušební těleso má tvar hranolu o průřezu 50 x 50 mm a maximální délce 50mm. Tuto zkoušku předepisuje ČSN Tvrdost se vypočte podle vzorce H J F = π.r 2 F působící síla na polokouli r poloměr polokoule H Jankova tvrdost [N] [mm] [MPa] V případě rozštípnutí tělesa se provádí zatlačení polokoule pouze do hloubky 2,82mm. U většiny druhů dřev nejsou rozdíly mezi tvrdostí na radiálních a tangenciálních plochách. Výjimku tvoří pouze dřeva s velkými dřeňovými paprsky (dub, buk, jilm), která mají radiální tvrdost vyšší o 5 10% než tangenciální. Tvrdost konstrukčních materiálů Tvrdost konstrukčních materiálů je dána jejich technologií výroby, zejména lisovacím tlakem a druhem použité dřeviny. 33

33 Tab. 16. Průměrné hodnoty tvrdosti druh dřeva Tvrdost dřeva v MPa na ploše čelní radiální tangenciální a více a více a více Smrk 26,0 12,0 18,0 8,5 18,0 8,5 Dub 67,5 40,0 56,0 33,5 49,0 29,0 Buk 61,0 36,5 43,5 25,5 44,5 26,5 Jasan 80,0 48,0 59,0 35,0 67,0 39,5 Ugolev (1975) 4. Zjišťování fyzikálních a mechanických vlastností Podstatou zkoušky bylo porovnat fyzikální a mechanické vlastnosti jednotlivých druhů materiálů při působení vody a jejich následnou změnu Související normy: ČSN EN 310 Rozměry zkušebních těles ČSN EN 323 Desky ze dřeva. Zjišťování hustoty ČSN EN 310 Desky ze dřeva. Zjišťování modulu pružnosti v ohybu a pevnosti v ohybu ČSN Zjišťování meze pevnosti ve statickém ohybu ČSN Skúšky vlastností rasteného dreva. Metóda zisťovania nasiakavosti a navlhavosti ČSN Drevovláknité dosky. Metóda zisťovania hrúbkového napučania vo vode 4.2. Zkušební vzorky Rozměry zkušebních tělísek vycházeli z rozměrů zkušebních tělísek pro zkoušku pevnosti materiálu na ohyb. Počet vzorků byl stanoven podle ČSN EN 310. Zkušební vzorky: Dřevo masiv, BK, rozměry vzorků 20 x 20 x 300mm, vlákna podél PDP vodovzdorná překližka, BR, tl. 15mm, 11ti vrstvá rozměry vzorků 15 x 50 x 300, dvě sady vzorků, porovnání meze pevnosti vzorků s povrchovou dýhou napříč a podél vláken zkušebních těles. MDF laminovaná dřevovláknitá deska, na rubové straně protitahový papír, tl. 17mm, rozměry vzorků 17 x 50 x 300mm 34

34 4.3. Postup 1. Klimatizace zkušebních těles zkušební tělesa byly před zkouškou klimatizovány za ustálené teploty 20 ± 2 C, a relativní vlhkosti vzduchu 60 ± 5%. 2. Měření rozměrů zkušebních těles rozměry byli měřeny s přesností na 0,1mm. 3. Vážení zkušebních těles hmotnost těles byla měřena s přesností na 0,01g. 4. Zkouška nasáklivosti zkušební tělesa byla ponořena do vody (ph 7 ± 1) a teplota vody byla udržována na 20 ± 1 C, doba po kterou byly tělesa ponořena byla 48 hodin. 5. Měření rozměrů zkušebních těles rozměry byli měřeny s přesností na 0,1mm. 6. Vážení zkušebních těles hmotnost těles byla měřena s přesností na 0,01g. 7. Zkouška meze pevnosti v ohybu zkušební vzorky byly namáhány na statický ohyb, stejně jako je v praxi vystavena zatížení stupnice, 4.4. Výpočty: Výpočet objemové hmotnosti: m ρ = V ρ Objemová hmotnost vzorku [kg/m 3 ] m Hmotnost vzorku [kg] V Objem vzorku = h. t. l [m 3 ] Výpočet bobtnání: α i a = a iw2 iw1 a iw1 100 a Rozměr tělesa, jeho plocha, objem [m, m 2, m 3 ] i Index udávající směr, plochu, nebo objem w 1 Vlhkost před bobtnáním [%] w 2 Vlhkost po ukončení bobtnání [%] Výpočet nasáklivosti: m m w = m Δ w Změna vlhkosti nasákavost [%] 35

35 m 2 Hmotnost tělesa po zkoušce m 1 Hmotnost tělesa před zkouškou [g] [g] Výpočet meze pevnosti materiálů: σ max 3. F. l = 2. b. t max 0 2 σ max Mez pevnosti v ohybu [MPa] F max Zatížení zkušebního tělesa v době porušení [N] l 0 Vzdálenost podpěr [mm] b Šířka zkušebního tělesa [mm] t Tloušťka zkušebního tělesa [mm] 5. Výsledky Tab. 17. Průměrné naměřené rozměry jednotlivých vzorků Původní rozměry Rozměry nasáklého vzorku Tloušťka Šířka Délka Tloušťka Šířka Délka BK 19,14 19, ,21 20,23 301,08 PDP - l 14,92 50, ,28 50,76 301,08 PDP - P 14,92 50,73 300,17 16,22 50,93 301,5 MDF 17 50,64 300,17 20,86 50,79 300,5 Tab. 18. Průměrné naměřené hodnoty hmotnosti a meze pevnosti Hmotnost Mez pevnosti suchá máčená suchá máčená BK 75,18 128,53 165,209 72,716 PDP - l 147,97 225,55 96,827 33,420 PDP - P 147,98 227,22 81,435 33,420 MDF 202,47 299,51 23,88 7,839 Kompletní výsledky zkoušek: viz. Příloha 36

36 6. Diskuse a hodnocení 6.1. Fyzikální vlastnosti Vliv faktorů na fyzikální vlastnosti dřeva K nejdůležitějším faktorům, které ovlivňují vlastnosti a chování dřeva patří: - chemické složení a anatomická stavba dřeva - předcházející historie dřeva - vlastnosti prostředí - zkušební metody Podstatné anatomické parametry na různých úrovních lze shrnout následujícím způsobem: - Makroskopická stavba anatomický směr, odklon vláken, šířka letokruhu, uspořádání cév, přítomnost jádra a běle, reakční dřevo. - Mikroskopická stavba zastoupení cév, rozměry anatomických elementů (šířka, délka, tloušťka buněčné stěny), pryskyřičné kanálky, vrstevnatost dřeňových paprsků. - Submikroskopická stavba fibrilární struktura a orientace, stavba mikrolamel, signifikace buněčné stěny, vrstevnatost buněčné stěny. Závislost fyzikálních vlastností dřeva na chemickém složení dřeva souvisí se submikroskopickou stavbou buněčné stěny a proporcionálním zastoupení jednotlivých chemických složek. Po chemické stránce se na stavbě dřeva podílejí tři základní biopolymery celulóza, hemicelulóza a lignin. Každá z těchto látek má v buněčné stěně specifickou funkci. Rozhodující význam má orientace látek v buněčné stěně a schopnost poutat na svém povrchu molekuly tekutin. Fibrilární struktura je uložena v amorfním ligninu, který vyplňuje submikroskopické dutiny celulózové kostry Vlhkost Rozměrové změny Působení vlhkosti, ať už ve formě páry, nebo kapaliny je při výrobě schodišť problém se kterým se musí počítat. U vícepodlažních rodinných domů s otevřeným kuchyňským koutem v přízemí, slouží často schodiště jako komín při přirozeném 37

37 stoupání vodních par. Tyto vodní páry se mohou v prostoru schodiště ochlazovat a na studených částech kondenzovat. Rozlišujeme působení vlhkosti ve formě páry navlhavost, nebo ve formě kapaliny nasáklivost. Masivní dřevo Velký vliv na velikost sesýchání a bobtnání má orientace fibril v buněčné stěně. Vzhledem k tomu, že největší podíl z buněčné stěny připadá na S 2 vrstvu sekundární buněčné stěny (až 90%), kde se orientace fibril příliš neodklání od podélné osy (15 30 ), dochází k maximálnímu sesýchání a bobtnání napříč vláken. Sesychání a bobtnání v podélném směru podmíněné sklonem fibril je nepatrné. Malé rozměrové změny v podélném směru se vysvětlují tím, že molekuly vody nemohou vnikat mezi fibrily do valenčního řetězce v podélném spojení, takže nenastává jejich rozestupování v tomto směru. Vliv vlhkosti na rozměry deskových materiálů na bázi dřeva Plošně lisované dřevovláknité desky vykazují v důsledku působení vody a vysoké relativní vlhkosti vzduchu značné tloušťkové bobtnání, které je způsobeno bobtnáním přírodního dřeva, odpružením slisovaných vláken, které mají snahu vrátit se do původního stavu před slisováním. Bobtnání AM snižuje kvalitu povrchu (hladkost), ale i fyzikální a mechanické vlastnosti. Pro zvýšení objemové stálosti desek při krátkodobém styku s vodou se přidávají hydrofobizační prostředky. Nejčastěji se přidává parafín, a to v množství 0,5 1,5 sušiny na a.s. vlákno. Použitím parafínu se výrazně snižuje bobtnání. Konstrukce MDF desek povrchově upravených nedovoluje při příjímání vlhkosti změnu jiných rozměrů, než tloušťkových. Plošné rozměry nejsou možné z důvodu povrchové úpravy laminátem, nebo papírem, který nepodléhá působením vlhkosti rozměrovým změnám a brání tak rozměrovým změnám i nosnému materiálu. 38