Technická měření a diagnostika staveb 5. Diagnostika dřevěných konstrukcí Veronika Franková Leona Slívová Libor Žídek Vytvořeno za podpory projektu FRVŠ č. 2529/2009
Dřevěné konstrukce Dřevo jako surovina patří mezi nejstarší stavební materiál, který je využíván od pravěku Důvodem vysokého využití dřeva ve stavebnictví je jeho snadná opracovatelnost, obnovitelnost (pokácíme a zasadíme nové stromy), dobrá životnost aj. 2
Dřevěné konstrukce Dřevo je materiál, který pro své kvalitní vlastnosti je neustále využíván pro výstavbu V současné době vniká nový trend výstavby dřevostaveb a srubových staveb Z tohoto pohledu je tedy nutné věnovat zvýšenou pozornost vlastnostem dřeva a s tím související diagnostice dřevěných konstrukcí 3
Vlastnosti dřeva Využívané vlastnosti dřeva Pružný a zároveň pevný materiál Nízká objemová hmotnost Dobré tepelně izolační vlastnosti Snadná opracovatelnost Odolnost vůči některým chemikáliím estetičnost Aj. Nedostatky dřeva Hořlavost Navlhavost a nasáklivost (vzhledem k navlhání a následnému sesychání dřeva dochází k objemovým změnám, které mohou vyústit v trhliny a jiné deformace) Nízká odolnost vůči působení dřevokazných hub a hmyzu (záleží na vlhkosti a teplotě) Aj. 4
Diagnostické metody Diagnostické metody dřevěných konstrukcí lze rozdělit na: Destruktivní (dojde k nevratnému poškození konstrukce vrty, vpichy, vtisky aj.) tzv. invazivní diagnostické metody Nedestruktivní - tzv. neinvazivní diagnostické metody Rozdělení vyplývá z druhu konstrukce (historická stavba, běžná konstrukce není památkově chráněná), tzn. že dle druhu konstrukce se musíme rozhodnout, jaké diagnostické metody si můžeme dovolit použít Metody destruktivní: Odporová mikrovrtačka Fractometr Pilodyn Baumanovo kladívko 5
Diagnostické metody Metody nedestruktivní: Ultrazvukové přístroje Sylvatest Arborsonic Decay Detector Akustomat Zvukový tomograf Přístroje rentgenové Tomografy RTG radigrafy Vlhkoměry Odporové Dielektrické Kapacitní Endoskopy Pevné endoskopy Videoendoskopy Flexibilní fibroskopické endoskopy Mikroskopy Světelné Polarizační elektronoptické 6
Metody destruktivní Odporová mikrovrtačka Přístroj Resistograf pracuje na principu vnikání (vrtání) vrtáku o průměru 1,5 3,5 mm do vzorku dřeva Přístroj detekuje odpor při vnikání vrtáku do dřeva, tzn. že čím je dřevo více napadené (hniloba, dutiny a jiné defekty), nebo poškozené, tím je odpor při vnikání vrtáku menší Zkušební postup: Vrták vniká do dřeva s konstantní rychlostí (maximální délka vrtáku je 1000 mm) Při pronikání vrtáku do měřeného materiálu snímá přístroj množství energie potřebné k udržení konstantní vrtné rychlosti Během měření je přístroj napojen na počítač, který jednotlivé změny energie snímá a ukládá Výstupem měření je pak křivka, která nám udává změny energie v průběhu měření (vrtání) Na základě odporu vrtáku, je tedy měřen příkon potřebný k provrtání dřeva 7
Metody destruktivní Pro stanovení poškození dřeva pomocí resistografu se použije tabulka (Brashaw a kol. 2005) Vrtací odpor [N.m.s.rad -1 ] 25 100 % 10 25 % 0 10% Index poškození Zdravé dřevo Mírně poškozené dřevo Těžce poškozené dřevo 8
Metody destruktivní Resistograf 9
Metody destruktivní Přístroj Pilodyn Přístroj Pilodyn 6J představuje jednoduché mechanické zařízení, které umožňuje měřit hloubku průniku trnu vystřeleného do dřeva při konstantní zarážecí síle 6 J. Zkušební postup Reaktivace před dalším použitím se vykonává ručním stlačením pružiny. Maximální hloubka průniku trnu je omezena konstrukcí přístroje na 40 mm. Dosaženou hloubku zaražení hrotu lze odečítat přímo na stupnici přístroje. Naměřené hodnoty se mohou využít k hodnocení kvality povrchových vrstev dřeva. Při porovnání průniku trnu na různých místech zkoušeného prvku se dá podle kalibračních vztahů stanovit výpočtová pevnost, případně její snížení v místě poškození. 10
Metody destruktivní Pilodyn 11
Metody destruktivní Baumannovo kladívko Baumanovo kladívko pracuje na principu vtlačování ocelové kuličky o průměru 5 nebo 10 mm do dřeva úderem razníku (Brinell) Vtlačovaná kulička je úderem razníku vymrštěna stlačenou pružinou do zkoušeného materiálu Rázová energie je volitelná (dvě základní polohy pružiny) Zkušební postup Nastavíme velikost energie rázu Vzorek položíme na masivní podložku (zabránění pružení) Dáme přístroj na zkoušený povrch a stlačíme pružinu na požadovanou délku a tím odjistíme západku, která vymrští razník s kuličkou Kulička se nám obtiskne do zkoušeného vzorku Změříme průměr vtisku a vyhodnotíme dle tabulky, která je součástí přístroje 12
Metody nedestruktivní Měření vlhkosti Odporové vlhkoměry Odporové vlhkoměry patří mezi nejběžnější a nejužívanější typy vlhkoměrů na dřevo Princip metody spočívá na elektrický odpor ve vlivu vlhkosti ve dřevě Jednotlivé odporové vlhkoměry se od sebe liší v typu elektrod, které jsou v kontaktu se dřevem Elektrody mohou být buď zarážecí (měří vlhkost po průřezu materiálu), přítlačné (měří pouze vlhkost na povrchu dřeva), nebo upínací elektrody (vhodné pro různé tloušťky materiálu) 13
Metody nedestruktivní Odporové vlhkoměry 14
Metody nedestruktivní Endoskopie Pevné endoskopy (boroskopy) Pevné endoskopy jsou tubusy, ve kterých je soustava optických čoček, které přenáší obraz na okulár. Pro kvalitní a dobře čitelný obraz je nutný světelný zdroj. Světelný zdroj v endoskopu je zajištěn pomocí skleněných vláken. Pevné endoskopy jsou oproti ostatním výše uvedeným endoskopům užívány méně, díky své neohebnosti. 15
Metody nedestruktivní Pevné endoskopy (boroskopy) 16
Metody nedestruktivní Flexibilní fibroskopické endoskopy Flexibilní endoskopy jsou ohebné a lze je zavést do větších vzdáleností než u pevných endoskopů. Světlo je přenášeno do světlovodného výstupu pomocí soustavy skleněných vláken. 17
Metody nedestruktivní Flexibilní endoskopy 18
Metody nedestruktivní Videoendoskop Pracuje na stejném principu jako flexibiní endoskopy. Výhodou videoendoskopů je přenos měřeného obrazu do digitálního ústředny (počítače), který umožňuje zhotovit digitální obraz vyšetřovaného místa. 19
Metody nedestruktivní Videoendoskopy 20
Metody nedestruktivní Mikroskopická analýza Použitím mikroskopů lze pomocí zvětšeného obrazu zjistit Stupeň poškození buněk dřeva Přítomnost výtrusů dřevokazného hmyzu hub, vajíček larev, kukel, Definovat stupeň napadení dřevokaznými škůdci Identifikace druhu dřevokazných hub 21
Metody nedestruktivní Počítačová tomografie Počítačová tomografie je založena na principu interakce RTG záření se sledovaným objektem. Zkušební postup Kolem sledovaného objektu se otáčí RTG zdroj záření a detektor. Prošlé RTG záření se zaznamenává v detektoru a pomocí PC je hodnota zeslabení RTG záření převedena na pixel. Výsledný obraz se promítá na obrazovku. CT vyšetření umožňuje, mimo zobrazení výsledného obrazu sledovaného objektu, také zjištění hustoty materiálu, přičemž hodnota hustoty je v podstatě hodnota zeslabení prošlého RTG záření materiálem. 22
Metody nedestruktivní Tomograf 23
Metody nedestruktivní RTG radiografie Tato metoda pracuje na principu prostupu a pohlcení RTG paprsků zkoumaným materiálem. Tato metoda umožňuje detekovat kovy ve dřevě a odhalit skryté vady dřeva jako např. suky, vnitřní trhliny, dutiny a hnilobu. 24
Metody nedestruktivní Arborsonic Decay Detector Tento detektor pracuje na principu ultrazvukového šíření vln. Na základě rychlosti průchodu UTZ vln je pak dřevo vyhodnocováno z hlediska homogenity. Faktory které nám mohou ovlivnit měření (rychlost průchodu vln) jsou zejména vlhkost, teplota, hniloba a orientace letokruhů. 25
Metody nedestruktivní Hniloba má výrazný vliv na rychlosti šíření zvuku ve dřevě. Rychlost šíření vln se výrazně snižuje s narůstající degradací materiálu. Přítomnost hniloby se projevuje také snížením hustoty, což má také za následek snížení rychlosti ultrazvukových vln. Rychlost šíření UTZ vln klesá se vzrůstající vlhkostí, protože vody vyplní kapiláry dřeva, kde byl předtím vzduch. Z toho důsledku se zvyšuje odpor prostředí proti šíření UTZ vln. 26
Metody nedestruktivní Šířka letokruhů ovlivňuje rychlost šíření UTZ jenom v radiálním směru, z důvodu makroskopické stavby dřeva. Rychlost šíření UTZ vln ve směru podélně s vlákny je přibližně stejná jako u šíření UTZ vln v kovech, zatímco rychlost vln ve směru kolmo na vlákna je asi 3x menší. 27
Metody nedestruktivní Sylvatest Princip metody sylvatest je založen na změně akustických vlastností degradovaného dřeva. Při aplikaci této metody se vychází z fyzikálních zákonů o rychlosti šíření ultrazvukových vln ve dřevě (hustota dřeva musí být známa), nebo se poze vyhodnocuje útlum UTZ vln. 28
Růstové vady dřeva Růstové vady dřeva se posuzují dle: ČSN 73 2824 1 Třídění dřeva podle pevnosti Část 1: Jehličnaté řezivo Suky Odklon vláken Dřeň Šířka letokruhů Trhliny Výsušné trhliny Obliny Zakřivení Tlakové dřevo 29
Suky Výskyt suků v konstrukčním dřevě ovlivňuje jeho pevnost a to zejména tím, že suky ve dřevě narušují podélný průběh vláken. Pevnost konstrukčního dřeva je závislá na podílu suků v něm, respektive na podílu z celkového průřezu, který v prvku zaujímají. Neméně důležitá je i poloha suků v konstrukčním prvku vzhledem k jeho namáhání. 30
Suky v hranolech Dle normy ČSN 73 2824 1 se při třídění dřeva nerozlišují srostlé a nesrostlé suky. Otvory po suku se považují za suky. Rozměry suků Zdroj: ČSN 73 2824-1 31
Suky v hranolech Výpočet poměrného rozměru suku A: Rozhodující je nejmenší viditelný průměr d suků. U hranolových suků platí výška zaoblené části (viz d 1 na předchozím obrázku), pokud je menší než průměr. Poměrný rozměr suku A se vypočte jako podíl průměru d, a rozměru b (popř. h) příslušné strany průřezu [1]. Rozhodující je největší poměrný poměr. d = max b d h d b d h 2 3 4 A 1 ; ; ; 32
Suky v hranolech Kritéria třídění pro hranoly namáhané na ohyb. Znaky třídění S 7, S 7K Vizuální třída S 10, S 13, S 10K S 13K Suky do 3/5 do 2/5 do 1/5 Pozn.: vizuální třída hranolů tříděných v poloze na stojato je označena (K) 33
Šířka letokruhů Letokruh je přírůstek dřeva za jedno vegetační období. Letokruhy jsou tvořena vrstvami jarního (světlejší, řidší) a letního dřeva (hustší, tmavší) Při hodnocení konstrukčního dřeva z hlediska šířky letokruhů se uvažuje průměrná šířka letokruhů dle DIN EN 1310 v milimetrech U řeziva, které obsahuje dřeň se v hodnocení šířky letokruhů neuvažuje oblast do vzdálenosti 25 mm od dřeně Měřený úsek l probíhá kolmo k letokruhům, začíná letokruhem, který je nejblíže dřeni až po letokruh v rohu průřezu nejvzdálenějším od dřeně 34
Šířka letokruhů 35
Odklon vláken Dřeň Odklon vláken Odklon od vláken F se vypočte jako odchylka x vláken vztažená na měřenou délku y a vyjádřená v procentech. Odchylky způsobené suky, pokud jsou lokálního charakteru, se neuvažují. Odklon vláken se měří podle výsušných trhlin. Dřeň Dřeň je řídké (světle nebo tmavě zbarvené) pletivo, které leží v ose kmene. Rozlišujeme řezivo s dření a bez dřeně. Dřeň se považuje za přítomnou, i když probíhá v řezivu jenom částečně. 36
Odklon vláken F = y x 100 37
Trhliny Rozlišujeme trhliny způsobené bleskem, odlupčivé trhliny a výsušné trhliny Jako kritérium třídění u výsušných trhlin se musí stanovit hloubka trhlin vztažená na strany průřezu Tuto hloubku je nutno změřit ve třech bodech po délce trhliny, vždy ve třetinách. Hloubku trhliny zjišťujeme spároměrem Hloubka jedné trhliny se tedy uvažuje jako průměr ze tří měření Trhliny které mají délku do ¼ délky řeziva, nejvýše však 1m, se neuvažují 38
Trhliny r = t + t + t 1 2 3 3 39
Obliny Výška a šířka obliny se určí v průmětu na příslušnou stranu průřezu a vyjadřuje se jako podíl K příslušné strany průřezu h h = max h b b ; b b b b 1 1 2 K ; 40
Zakřivení Vlivem rozdílného sesychání v radiálním a tangenciálním směru může vzniknout příčné zakřivení. Točivost a tlakové dřevo může způsobit šroubové zakřivení a podélné zakřivení dřeva. Šroubové a podélné zakřivení se vypočítá jako vzepětí h v místě největší deformace vztažené k délce měření 2000 mm. Podélné zakřivení se vypočte jako vzepětí h v poměru k šířce řeziva. Příčné zakřivení se vypočte jako poměr vzepětí k šířce průřezu. 41
Zakřivení 42
Zbarvení, hniloba Zbarvení může mít v podélném směru rozdílný rozsah. Rozhodující je místo s největším rozsahem. Zbarvení se měří na povrchu řeziva, kolmo k podélné ose průřezu. 43
Zbarvení, hniloba V v + = 1 2 3 2 v + v ( b+ h) 44
Tlakové dřevo Tlakové dřevo je reakcí větví stromu na namáhání a vzniká díky ohýbání kmene vlivem větru, sněhu, hmotností koruny aj. Tlakové dřevo může mít v podélném směru různý rozsah. Rozhodující je místo největšího rozsahu. Tlakové dřevo měříme na povrchu řeziva kolmo na podélnou osu kmene v místě největšího rozsahu. 45
Dřevokazné houby Dřevokazné houby znehodnocují dřevo takovým způsobem, že rozkládají dřevní hmotu Základními podmínkami pro vnik a rozvoj dřevokazných hub je vhodná vlhkost dřeva s správná teplota. Přičemž každý druh hub má specifické podmínky a rozdílné mezní hodnoty těchto činitelů. Optimální vlhkost pro napadení dřeva houbami se pohybuje v rozsahu mezi 30 80 %, nicméně některé houby se mohou rozvíjet už při vlhkosti okolo 15 %. 46
Dřevokazné houby Teplota vhodná pro rozvoj hub se pohybuje v rozmezí od 18-32 C Dřevokazné houby dělíme dle složky dřeva, kterou napadají na ligninovorní a celulózovorní. Celulózovorní dřevokazné houby napadají jak je už z názvu zřejmé celulózu. Pro představu lze uvést, že pokles pevnosti dřeva v tlaku po napadení celulózovorními houbami je 12 27 %, pokles pevnosti v ohybu pak 20 61 %. Celulóza má ve dřevu obdobnou funkci jako ocel v železobetonu, hniloba má tedy přímý dopad ne zhoršení statické funkce dřevěných prvků a konstrukce vůbec. Mezi nejznámější zástupce celulózovorních hub patří dřevomorka domácí. Hnilobu způsobenou celulózovorními houbami nazýváme také hnědou hnilobou, podle zbarvení, které dřevokazné houby způsobují. 47
Dřevokazné houby Zleva dřevomorka domácí koniofora sklepní pornatka valiantová 48
Dřevokazné houby Dalším zástupcem dřevokazných hub jsou houby ligninovorní, které napadají ve dřevní hmotě lignin. Výsledkem tohoto napadení je světlé zbarvení dřevní hmoty, odtud také název bílá hniloba. Dřevo vlivem procesů způsobených dřevokaznými houbami ztrácí na hmotnosti, ale ne na objemu. Při silnějším poškození ligninovorními houbami mohou ve dřevě vznikat prázdné otvory. Zástupcem ligninovorních hub je např. václavka obecná. 49
Dřevokazný hmyz Dřevo jako takové nejčastěji poškozují larvy hmyzu, které se živí dřevem a kůrou. Larvy mohou napadat jak rostoucí dřevo, tak dřevo čerstvě vytěžené. Dřevokazný hmyz se specializuje na různé druhy dřevin a dle stádií vývoje také na různé části dřeviny. Dospělý hmyz vyhryže v kůře otvory, chodby, kde naklade vajíčka ze kterých se vylíhnou larvy, které pak následovně žerou listí, pupeny, kůru a dřevo. Mezi základní zástupce dřevokazného hmyzu patří červotoč (proužkovaný, umrlčí), tesařík krovový, hrbohlav parketový aj. 50
Dřevokazný hmyz Zleva Červotoč proužkovaný Tesařík krovový Červotoč umrlčí 51
Literatura ČSN 73 2824 1 Třídění dřeva podle pevnosti Část 1: Jehličnaté řezivo Gandelová, L., Horáček, P., Šlezingerová, J., Nauka o dřevě, Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2002. Horáček, P., Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva I., Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2008. Špaček, T. Metodika stavebního technického průzkumu dřevěných prvků zabudovaných do památkových staveb, Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Disertační práce, 2007. 52