Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta. Ústav nauky o dřevě

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav nauky o dřevě BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Vybrané vlastnosti tropického dřeva Bangkirai 2008 Martin Jeřábek

Prohlášení: Prohlašuji že jsem bakalářskou práci na téma: Vybrané vlastnosti tropického dřeva Bangkirai zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny, ze kterých jsem čerpal. Souhlasím, že moje bakalářská práce smí být zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v archivu ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. V Brně, dne. Podpis..

Poděkování V první řadě bych chtěl poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Hanuši Vavrčíkovi, Ph.D., a také Ing. Vladimíru Grycovi, Ph.D., za pomoc při řešení problémů s teoretickou i praktickou částí. Dále firmě Truhlářství Jaroslav Špůr, za poskytnutí potřebného materiálu, Ústavu nauky o dřevě za to, že mi poskytl vybavení pro provedení vybraných zkoušek. A nejvíce svým rodičům za to, že mi umožnili studovat a plně mě podporovali během studia. Projekt vznikl za finanční podpory výzkumného záměru LDF MZLU v Brně, MSM 6215648902.

Abstrakt Autor: Název práce: Martin Jeřábek Vybrané vlastnost tropického dřeva Bangkirai Tato bakalářská práce byla zpracována na téma vybrané vlastnosti tropického dřeva Bangkirai. Z fyzikálních vlastností se zaměřuje na hustotu a velikost bobtnání dřeva a z mechanických vlastností byla vybrána pevnost dřeva v tlaku podél vláken. Práce je rozdělena do dvou částí. První, teoretická část, je zaměřena na popis anatomické stavby dřeva Bangkirai (Shorea laevis L.), na teoretický popis vybraných fyzikálních a mechanických vlastností dřeva a na faktory ovlivňující pevnost dřeva. V druhé části jsou uvedeny experimentálně naměřené hodnoty, jejich statistické vyhodnocení a porovnání s jinými dřevinami. Klíčová slova: Bangkirai, hustota, bobtnání, pevnost

Abstract Author: Title : Martin Jerabek Choice properties of tropical wood Bangkirai This bachelor work was processed on the topic choice characteristics tropical wood Bangkirai. From physical featuree be focuse to density and size swelling of wood and from mechanical feature was choice fort wood in pressure along grains. Work is divided into two parts. First, theoretical part, is bent to description o afnatomical construction wood Bangkirai (Shorea laevis L.), to theoretical description choice physical and mechanical features of wood and to factors influence timber strenght. In second part there're introduced experimentally measured values, their statistical evaluation and comparison with by other evergreen tree species. Key words: Bangkirai, density, swelling, fort

Obsah: 1. Úvod... 1 2. Cíl práce... 2 3. Literární přehled... 3 3.1 Fyzikální vlastnosti dřeva... 3 3.1.1 Vlhkost dřeva... 3 3.1.2 Hustota dřeva... 4 3.1.2.1 Proměnlivost hustoty dřeva... 6 3.1.3 Bobtnání dřeva... 7 3.1.3.1 Faktory ovlivňující bobtnání dřeva... 9 3.2 Mechanické vlastnosti dřeva... 10 3.2.1 Pevnost dřeva... 10 3.2.1.1 Všeobecně o pevnosti dřeva v tlaku... 11 3.2.1.2 Vliv velikosti a tvaru vzorku na pevnost v tlaku... 12 3.2.1.3 Vliv vlhkosti na pevnost v tlaku... 12 3.2.1.4 Vliv odklonu vláken na pevnost v tlaku... 13 3.2.2 Pevnost dřeva ve směru podél vláken... 14 3.2.3 Faktory ovlivňující pevnost dřeva... 16 3.2.3.1 Vlhkost dřeva... 16 3.2.3.2 Hustota dřeva... 17 3.2.3.3 Teplota... 17 3.3 Dřevo tropického stromu Shorea laevis... 18 3.3.1 Makroskopická stavba... 18 3.3.2 Mikroskopická stavba... 18 3.3.3 Morfologické znaky stromu... 19 3.3.4 Použití dřeva... 19 4. Materiál a metodika... 20 4.1 Zkušební tělíska... 20 4.1.1 Metodika výroby zkušebních tělísek... 20 4.2 Materiál a metodika zjišťování hustoty dřeva... 21 4.2.1 Materiál... 21 4.2.2 Metodika zjišťování hustoty dřeva... 21 4.3 Materiál a metodika pro zjišťování bobtnání dřeva... 22

4.3.1 Materiál... 22 4.3.2 Metodika zjišťování bobtnání dřeva... 22 4.4 Materiál a metodika pro zjišťování pevnosti podél vláken... 23 4.4.1 Materiál... 23 4.4.2 Metodika zjišťování pevnosti dřeva podél vláken... 23 5. Výsledky... 24 5.1 Hustota dřeva Bangkirai při 0% vlhkosti... 24 5.2 Bobtnání dřeva Bangkirai... 25 5.2.1 Radiální bobtnání... 25 5.2.2 Tangenciální bobtnání... 26 5.2.3 Objemové bobtnání... 27 5.2.4 Srovnání výsledků celkového bobtnání... 28 5.3 Pevnost podél vláken dřeva Bangkirai... 29 5.3.1 Mez pevnosti... 29 5.3.2 Modul pružnosti... 32 5.4 Shrnutí výsledků... 33 6. Diskuze... 34 7. Závěr... 36 8. Literatura... 38

1. Úvod Dřevo je soubor rostlinných pletiv, přičemž většina buněk, které je tvoří, má zdřevnatělou buněčnou stěnu. Je-li s ním správně hospodařeno, je považováno za obnovitelnou surovinu, což je velmi významná vlastnost, vezmeme-li v potaz jeho široké možnosti uplatnění v životě člověka. Je vyhledáváno pro svůj přírodní charakter, přirozenou kresbu, variabilitu barev a dobré fyzikální a mechanické vlastnosti. Pro svou snadnou dostupnost, použitelnost ve stavebních prvcích a při výrobě nábytku je již od počátku civilizací velmi vyhledávaným a využívaným materiálem. Dřevo je pružný, pevný a přitom lehký materiál. Má své specifické vlastnosti pro které je vyhledáváno. Patří mezi ně: dobrá opracovatelnost, snadná výroba spojů, nízká hmotnost akustické vlastnosti, odolnost vůči chemikáliím a další. Má však i vlastnosti, které při zpracování, nebo použití považujeme za záporné, a proto se jim pokoušíme zabránit, ať již v počátku při výběru vhodné dřeviny, nebo ve výrobním procesu, a nakonec při plnění požadavků na prostředí, ve kterém bude stabilní.(vzdušná vlhkost, teplota, a další.) Bangkirai (Shorea laevis L.) je nově se objevující dřevinou na našem trhu. Je dovážena z asijských zemí, převážně z Thajska. Pro své vlastnosti a cenu je využívána na venkovní stavební prvky a nábytek. 1

2. Cíl práce Cílem práce je provést experimentální zjištění vybraných fyzikálních a mechanických vlastností tropického dřeva, které se prodává pod obchodním názvem Bangkirai (Shorea laevis L). Z fyzikálních vlastností bude věnována pozornost hustotě a bobtnání, z mechanických vlastností bude zjišťována pevnost dřeva v tlaku podél vláken a také Youngův modul pružnosti pro stejný způsob a směr namáhání. Naměřené hodnoty budou statisticky vyhodnoceny a porovnány s jinými zdroji a s údaji pro jiné druhy dřev. 2

3 Literární přehled Souhrn literatury a vědeckých poznatků potřebných pro vypracování práce. 3.1 Fyzikální vlastnosti dřeva Zde budou sepsány informace o vlhkosti, hustotě a velikosti bobtnání. 3.1.1 Vlhkost dřeva Přítomnost kapalin (vody) ve dřevě se nazývá vlhkost dřeva. Vyjadřuje se podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu vlhkost absolutní w abs nebo podílem hmotnosti vody ke hmotnosti mokrého dřeva vlhkost relativní w rel. Absolutní a relativní vlhkost se nejčastěji vyjadřuje v % a vypočítá se podle vztahů (Horáček 2001). w abs m w m m 0 0 100 m m v 0 100 w rel m w m m w 0 100 m m v w 100 kde m w hmotnost vlhkého dřeva (kg, g), m 0 hmotnost absolutně suchého dřeva (kg, g) a m v hmotnost vody (kg, g) Pro charakteristiku fyzikálních a mechanických vlastností se používá vlhkost absolutní a v případech kdy je potřeba znát procentické zastoupení vody, např. při prodeji nebo nákupu řeziva, se používá vlhkost relativní. V závislosti na podílu vody ve dřevě a ve vztahu k sušině dřeva rozlišujeme tři hraniční hodnoty: o Vlhkost suchého dřeva ustálený poměr hmotnosti vody ke hmotnosti sušiny, dřevo je sušeno při teplotě 103 ± 2 C, tzn. Že ve dřevě se nenachází žádná voda volná ani vázaná. o Vlhkost při nasycení buněčných stěn je to bod, kdy je mikrokapilární systém zcela zaplněn vodou. Vlhkost je vyjádřena mezí nasycení buněčných stěn MNBS nebo mezí hygroskopicity (MNBS MH = 22 35 %). 3

o Vlhkost při nasycení dřeva mikro- i makrokapilární systém je zcela nasycen vodou, ve dřevě je maximální množství vody. Vlhkost je vyjádřena maximální vlhkostí dřeva (w max = 80 400 %). Z hlediska uložení ve dřevě rozlišujeme vodu na chemicky vázanou, vázanou hygroskopickou a volnou kapilární: o Chemicky vázaná je součástí chemických sloučenin, je ve dřevě zastoupena i při nulové absolutní vlhkosti, nelze jí odstranit sušením, ale jen spálením. Zaujímá 1 2 % sušiny dřeva a nemá vliv na fyzikální a mechanické vlastnosti. o Voda vázaná nachází se v buněčných stěnách a je vázána vodíkovými můstky na hydroxylové skupiny. Vyskytuje se ve dřevě v průměru při vlhkostech 0 30% a má zásadní význam na fyzikální a mechanické vlastnosti. o Voda volná vyplňuje lumeny buněk a mezibuněčné prostory a má významně menší vliv na fyzikální a mechanické vlastnosti. 3.1.2 Hustota dřeva Oproti jiným materiálům je určení hustoty dřeva poměrně obtížné, jelikož dřevo je hygroskopický materiál. Důsledkem je, že hmotnost i objem dřeva jsou velmi ovlivněny vlhkostí dřeva. Přesto jde o jednu z nejvýznamnějších vlastností dřeva, která velmi ovlivňuje většinu fyzikálních a mechanických vlastností. Proto jí můžeme považovat za nejlepší kritérium pro posuzování vlastností dřeva. Hustota vyjadřuje hmotnost objemové jednotky při dané vlhkosti, značí se řeckým písmenem ρ a nejčastěji se vyjadřuje v kg m -3 nebo g cm -3. m [kg m -3 ] V m.hmotnost dřeva V.objem dřeva [kg] [m] Jelikož je dřevo porézní materiál a objem pórů často převyšuje objem buněčných stěn, podílí se tekutiny nebo vzdych, jimiž jsou póry nejčastěji vyplněny, velmi významně na hmotnosti a tedy i hustotě dřeva. Kapilární systém jenž póry ve dřevě vytvářejí je u mnoha dřevin redukován doprovodnými látkami a thylami ve dřevě 4

přítomnými. Tato skutečnost sice vede ke snížení příjmu vody, ale zároveň i k obtížnější impregnovatelnosti. Hmotu zbavenou submikroskopických dutin, lumenů a mezibuněčných prostor nazýváme dřevní substance. Tato veličina kolísá v rozmezí 1440 1550 kg m -3 a je nejvíce závislá na chemickém složení dřeva. Nevíce však procentickým zastoupením ligninu, které kolísá v rozmezí 15 35 % a je se svou hustotou 1350 kg m -3 nejlehčí základní stavební složkou. Protože má většina dřevin podobné zastoupení základních stavebních jednotek, nezávisí prakticky hustota dřevní substance na druhu dřeviny, a jako její průměrná hodnota se uvádí ρ s = 1530 kg m -3. stavy: Pro charakteristiku hustoty dřeva používáme nejčastěji následující vlhkostí o hustota dřeva v suchém stavu (w = 0 %), ρ 0 o hustota dřeva při vlhkosti 12 %, ρ 12 o hustota dřeva vlhkého w > 0 % Při porovnávání výsledků a při teoretických výpočtech používáme hustotu v absolutně suchém stavu ρ 0. Což je 0% vlhkost dřeva. Hustota dřeva v suchém stavu ρ 0 je menší než ρ s, protože součástí dřeva jsou i mikrokapiláry a lumeny vyplněné vzduchem: m 0 0 [kg m V -3 ] 0 m 0.hmotnost suchého dřeva V 0.objem suchého dřeva [kg] [m] Speciálním případem je hustota dřeva při 12% vlhkosti. Je udána v platných normách, protože 12% vlhkosti je dosaženo dlouhodobějším vystavením dřeva běžným podmínkám temperované místnosti (T = 20 C, φ = 65 %). Hustota dřeva našich domácích dřevin se pohybuje v širokém intervalu. Podle hustoty dřeva při 12% vlhkosti je možné dřeviny rozdělit do tří skupin (Tab. 2.1). U 5

exotických dřev se setkáváme s extrémy. Za nejlehčí dřevo se pokládá balza (Ochroma lagopus Sw.) s hustotou v absolutně suchém stavu ρ 0 = 130 kg m -3, za nejtěžší dřevo guajaku (Guaiacum officinale L.) s hustotou v absolutně suchém stavu ρ 0 = 1360 kg m -3 (Horáček 2001). Dřeva s nízkou hustotou (ρ 12 < 540 kg m -3 ) Dřeva se střední hustotou (ρ 12 = 540 750 kg m -3 ) Dřeva s vysokou hustotou (ρ 12 > 750 kg m -3 ) borovice, smrk, jedle, topol, lípa, vrba, olše, osika modřín. tis, bříza, buk, hrušeň, dub, ořešák, jilm, jabloň, jasan, jeřáb, třešeň, kaštanovník habr, zimostráz, dřín, moruše, akát Tab.1: Rozdělení dřev podle hustoty dřeva při w = 12 % (podle Matoviče 1993). Zatím co hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí, hmotnost a objem dřeva nerostou stejným způsobem. Objem se zvyšuje jen do meze hygroskopicity, ale hmotnost roste se zvyšující se vlhkostí až do maximálního nasycení. 3.1.2.1 Proměnlivost hustoty dřeva Hustota dřeva závisí na řadě faktorů, z nichž k nejdůležitějším patří chemické složení dřeva, stavba dřeva a vlhkost dřeva, poloha ve kmeni, stanovištní podmínky a pěstební opatření. Chemické složení kromě hustoty dřevní substance ovlivňuje také samotnou hustotu dřeva, a to zastoupením dalších látek kromě hlavních chemických konstituent. Jedná se zejména o extraktivní látky, které zvyšují hustotu jádrového dřeva. Proto dřeva listnatá kruhovitě-pórovitá, která jsou zpravidla jádrová, mají zpravidla vyšší hustotu než dřeva listnatá roztroušeně-pórovitá (Horáček 2001). Je tedy zřejmé, že na hustotu dřeva má vliv mnoho faktorů. Každý vliv však má účinky na růst letokruhu jiný, jeden zapříčiňuje větší růst letního letokruhu, a tak zvyšování hustoty a druhý růst jarního, a tak ke snižování hustoty. Dále potom reagují jinak na podmínky růstu různé druhy stromů, například smrk je na vlivy okolí velmi citlivý a vykazuje velké kolísání hustoty, oproti tomu buk je mnohem stálejší. Je samozřejmé, že kolísání váhy v rámci jednoho druhu je přirozeně menší, než kolísání 6

mezi různými druhy dřeva. Avšak i v rámci druhu může být rozdíl hodnot značný (Obr.1). Obr.1: Variabilita hustoty dřeva (Pinus sp.) v rámci celého kmene (Trendelenburg 1939). 3.1.3 Bobtnání Bobtnáním nazýváme schopnost dřeva zvětšovat svoje lineární rozměry, plochu, nebo objem při přijímání vázané vody, tj. ukládání vody do mikrokapilárního systém, v rozsahu vlhkosti 0% MH (MNBS). Udává se v % z rozměrů dřeva v absolutně suchém stavu. Je nejnepříjemnější vlastností dřeva, protože způsobuje nejen změny objemové, ale i ve fyzikálních a v pevnostních vlastnostech. i a iw2 a a iw1 iw1 100 a a iw iw1 100 a rozměr tělesa, jeho plocha nebo objem (m, m 2, m 3 ), i index udávající směr, plochu nebo objem, w 1 vlhkost před bobtnáním (%), w 2 vlhkost po ukončení bobtnání (%) Voda vázaná (hygroskopická) se ukládá do buněčných stěn, vniká do oblasti celulosových fibril a tlačí je od sebe. Tím dochází k zvětšování BS a dřeva jako celku (Obr.2). Bobtnání není rovnoměrný proces, z počátku je bobtnání rychlejší a s 7

přibližováním vlhkosti k bodu nasycení vláken se rychlost příjímání vody a bobtnání zpomaluje. 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 i w 2 a i w 1 a i w K i amax MH K αi koeficient bobtnání(%/1%), α i částečné bobtnání (%), Δw rozdíl vlhkostí (%) (Horáček 2001). Při výpočtu a použití koeficientu bobtnání se předpokládá, že změny rozměrů těles pod mez hygroskopicity jsou lineárně úměrné změnám vlhkosti. Tento předpoklad však není zcela přesný, ale pro použití v praxi je dostačující. Obr.2: Voda vázaná ve dřevě A monomolekulární vrstva vázaná volnými hydroxylovými skupinami celulózových řetězců, B postupná tvorba monomolekulární vrstvy narušováním vazeb vodíkovými můstky mezi sousedními řetězci celulózy, C polymolekulární vrstva vody, D schématické znázornění monomolekulární (tmavé body) a polymolekulární (bílé body) vrstvy vody vázané (Tsoumis 1991). Bobtnání má anizotropní charakter, podél vláken je bobtnání velmi malé a nepřesahuje 1%, v příčném směru bobtná dřevo mnohem více, v radiálním směru 3 6 %, v tangenciálním 6 12 %. Bobtnání v jednotlivých anatomických sekcích se často vyjadřuje poměrem: 8

: : 20 :10 :1 t r l Přičemž součtem lineárních bobtnání získáme přibližnou hodnotu bobtnání objemového: : : t r l V Potom exaktní vztah pro výpočet objemového bobtnání ze známých bobtnání lineárních je: V t : r l l r t r t l : 0,001( ) Poměr bobtnání v příčných směrech, radiálním a tangenciálním, se nazývá diferenciální bobtnání a je dáno vztahem: dif t r Hodnota diferenciálního bobtnání závisí na hustotě dřeva, s rostoucí hustotou se snižuje. Proto mají jehličnaté dřeviny celkově vyšší hodnotu α dif než listnaté. Průměrná hodnota se udává kolem 2, běžně se však pohybuje v intervalu od 1 do 3,5 (Horáček 2001). 3.1.3.1 Faktory ovlivňující bobtnání dřeva Rozměrové změny způsobené změnami vlhkosti v rozsahu vody vázané jsou ovlivňovány zejména vlhkostí, hustotou a anatomickou stavbou dřeva. Vlhkost dřeva ovlivňuje rozměrové změny nejvíce svým rozložením v průřezu tělesa, kdy nerovnoměrné rozložení způsobuje při vysýchání dřeva vznik vlhkostních a zbytkových napětí. Tato napětí v důsledku hygroelastického efektu mohou pozměnit výsledné rozměrové změny. Za dalším vliv je možno považovat nelineární závislost α (bobtnání) a β (sesychání) na vlhkosti dřeva v intervalu 0 5 % a 20 MH %. Průběh závislosti odpovídá zhruba tvaru sorpční izotermy a může být tedy vysvětlován stejně jako teorie sorpce. Mezi α, β a hustotou dřeva je přímo úměrná závislost. Ovlivnění α a β hustotou dřeva souvisí s větším zastoupením chemických konstituent v jednotkovém objemu hustšího dřeva, tedy s vyšším počtem potenciálních sorpčních míst v tlustších buněčných stěnách elementů dřeva. Vzhledem k neměnnosti rozměru lumenu během 9

hygroexpanze dřeva se vyšší hustota promítá do výraznějších rozměrových a objemových změn. S rostoucí hustotou dřeva dochází také k výraznému modifikování tvaru anatomických elementů a zmenšování rozdílů v radiálním a tangenciálním směru, což způsobuje snížení anizotropie rozměrových změn s nárůstem hustoty dřeva - zmenšení koeficientu diferenciálního bobtnání a sesýchání. Struktura dřeva na všech úrovních - submikroskopické, mikroskopické a makroskopické - je základním důvodem pro anizotropní charakter rozměrových změn. Na submikroskopické úrovni je rozhodující stavba buněčné stěny a orientace fibrilární struktury v jednotlivých vrstvách. Například s rostoucím odklonem fibril v S2 vrstvě (juvenilní a tlakové dřevo) vzrůstá podélné bobtnání a sesýchání, což se projeví v podélném borcení dřeva. U jehličnatého dřeva způsobují velké ztenčeniny buněčné stěny (25 mm) umístěné převážně na radiálních stěnách buňky odklon fibril v S2 vrstvě až na 30, což se projeví v diferenciálních změnách v radiálním a tangenciálním směru. Na mikroskopické úrovni jsou důležité tloušťky buněčná stěny v radiálním a tangenciálním směru (u tracheid je radiální buněčná stěna zpravidla tlustší) a přítomnost dřeňových paprsků. Převážná orientace fibril ve stěnách parenchymatických buněk dřeňových paprsků je v ose buňky v radiálním směru (Horáček 2001). 3.2 Mechanické vlastnosti dřeva 3.2.1 Pevnost dřeva Pevnost dřeva charakterizuje odpor (odolnost) dřeva proti jeho trvalému porušení. Kvantitativně se pevnost vyjadřuje napětím, při kterém se poruší soudržnost tělesa napětím na mezi pevnost σ p. 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, protože zde konečného porušení tělesa nelze dosáhnout. Hodnoty pevností dřeva udávané v dalším textu nejsou ovšem absolutními konstantami dřeva, ale jde o veličiny závislé na metodice zkoušení. Pro vzájemnou porovnatelnost získávaných hodnot pevností dřeva byla přijata dohoda o zkušebních postupech, která definuje podmínky, při kterých se pevnost zjišťuje. Základní zásady 10

zkoušení pevnosti dřeva spočívají ve stanovení velikosti tělesa, postupu zkoušky a výpočtu výsledků (http://wood.mendelu.cz). Pevnost dřeva v zásadě můžeme rozdělit podle: 1. stavu napjatosti: jednoosý a víceosý 2. způsobu zatížení: tlak, tah, ohyb, krut a smyk 3. časového průběhu zatížení: statické a dynamické 4. účinků zatížení na dřevo: destruktivní a nedestruktivní způsob 3.2.1.1 Všeobecně o pevnosti dřeva v tlaku Z výsledků tlakové zkoušky lze velmi dobře usuzovat na ostatní pevností vlastnosti materiálu. Odtud plyne značný význam této zkoušky pro posouzení únosnosti nejrozmanitějších dřevěných konstrukcí. Tlaková pevnost dřeva dosahuje průměrně jen asi 40 % příslušné tahové pevnosti, kdežto u kovů (oceli) se oboje tyto pevnosti sobě rovnají. U kamene, betonu a litiny je pevnost v tlaku několikanásobně větší než pevnost v tahu. Pevnostní vztahy dřeva lze vysvětlit strukturou této hmoty, jež je automaticky charakterizována souborem navzájem stmelených vláken. Pro tahovou pevnost existují příznivější podmínky, na rozdíl od tlakové pevnosti, jež je obvykle určena časným vybočením jednotlivých vláken, způsobujícím zlom. Úkazy při zlomu to potvrzují. Zatím co při zkoušce tahové se vlákna přetrhnou, při zkoušce tlakové vybočují, takže zkušební vzorek se rozštípne nebo sveze v rovině šikmé ke směru tlaku, a to bodle obsahu vody a jiných zvláštních podmínek vzorku. Skluzné roviny začínají na radiálních řezných plochách nebo na jejich hranách s čelnými plochami a svírají úhel 40 až 60 s působící osovou silou, jakož i s rovinami dřeňových paprsků. Zkrácení vzorků při tlakové zkoušce je působeno hlavně vzájemným posunutím ve skluzných rovinách. Následkem bočního skluzu nastane na zlomových plochách rozpěchování dřevních partií na oddělené soubory vláken, jež ztrácejí stabilitu, vybočují a sklánějí se do vodorovného směru (obr.3). Zlom při namáhání v tlaku není jevem jednoduchým, nýbrž jde tu o složitou posloupnost jevů. Před viditelnými změnami dochází k makroskopicky nepozorovatelnému porušení struktury, které je příčinou, že meze pevnosti je dosaženo dříve, než se na bočních stěnách objeví známky lomu. Tím si můžeme též vysvětlit, že v diagramu závislosti 11

napětí na stlačení dostaneme při tlakové zkoušce křivku s velmi plochým vrcholem (Lexa 1952). Obr.3: Vznik skluzných ploch při tlaku na hranoly ve směru maximálního smykového napětí u smrku, buku a jasanu (Podle Kollmanna). 3.2.1.2 Vliv velikosti a tvaru vzorku na pevnost v tlaku Je-li poměr délky k šířce u různých vzorků téže dřeviny konstantní, pak jejich absolutní rozměry nejsou rozhodující; pevnost v tlaku se u takových vzorků za jinak stejných podmínek v mezích obvyklých zkoušek nemění (Lexa 1952). 3.2.1.3 Vliv vlhkosti na pevnost v tlaku Obzvlášť silně působí na tlakovou pevnost kolísání vlhkosti dřeva v rozsahu hygroskopicity, což lze vysvětlit způsobem vazby vody na strukturu dřeva. Molekuly vody uložené mezi krystality (micelami), snižují jejich vzájemnou přitažlivost a tím i soudržnost dřeva. Tento pochod ustává po dosažení maxima bobtnání, kdy přitažlivé síly celulózových částic mají nejmenší hodnotu. Další vnikání volné vody do hrubých kapilár je pro pevnostní vlastnosti bezvýznamné. Tlaková pevnost stoupne však po mrznutí dřeva. Zmrzlé zkušební vzorky, předtím vodou nasycené, mají značně vyšší mez pevnosti než přirozeně suché, nezmrzlé vzorky (Lexa 1952). 12

Obr.4: Diagram závislosti tlakové pevnosti na vlhkosti u různých dřevin (Podle Kollmanna). Z diagramu (Obr.4) vyplývá, že do vlhkosti lehce po MH pevnost dřeva v tlaku se vzrůstající vlhkostí klesá, ale dál se již nemění. 3.2.1.4 Vliv odklonu vláken na pevnost v tlaku Vliv směru vláken na pevnost dřeva v tlaku je prakticky velmi důležitý. Pokusně získaný vztah je znázorněn na Obr.4. Při značně vysušeném nebo zcela suchém dřevě se projevuje ostrý úhel mezi směrem vláken a směrem síly zvláště nepříznivě. Se vzrůstajícím úbytkem vlhkosti stoupá totiž křehkost a zejména u dřeva jehličnanů dochází často vlivem náhlých změn objemové váhy mezi jednotlivými letokruhy k smykovým lomům bez předchozích deformací (Lexa 1952). 13

Obr.5: Diagram závislosti tlakové pevnosti na směru vláken u bukového dřeva různé vlhkosti (Podle Kollmanna). 3.2.2 Pevnost dřeva ve směru podél 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 tělesa (např. 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 dále mění na čáry porušení, přičemž ještě nedochází ke zakřivení vláken. V další fázi, 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. Variační koeficient se pohybuje v rozmezí 14

8 16%. Hodnoty meze tlakové pevnosti dřeva podél vláken u některých dřevin při různé vlhkosti jsou uvedeny v tabulce (Tab.2) (http://wood.mendelu.cz). Tab.2: Hodnoty meze pevnosti v tlaku ve směru vláken pro dřevo některých dřevin (podle Ugoleva 1975). druh dřeva σ p (MPa) druh dřeva σ p (MPa) w = 12% w 30% w = 12% w 30% modřín 64,5 25,5 akát 75,5 41,5 borovice 48,5 21,0 buk 55,5 26,0 smrk 44,4 19,5 dub 57,5 30,4 habr 60,0 26,5 topol 39,0 18,0 Mez úměrnosti v tlaku ve směru vláken je pro některé druhy (modřín, borovice, jedle, jasan, dub) průměrně 60 % meze pevnosti. Hodnoty meze úměrnosti jsou v literatuře uváděny následovně: 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 vzniká je tedy především projevem trvalých změn ve struktuře ligninu, případně narušení spojů lignino-sacharidového komplexu (http://wood.mendelu.cz). 15

3.2.3 Faktory ovlivňující pevnost dřeva 3.2.3.1 Vlhkost dřeva Všeobecně lze při kvantitativním posuzování změn vlastností dřeva konstatovat, že se stoupající vlhkostí do meze hygroskopicity se pružnostní a pevnostní vlastnosti dřeva snižují. Zákonitosti vlivu vody vázané na mechanické vlastnosti 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 vázané vody 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% vlhkost se provádí podle vztahu: 12 w 1 w 12 σ 12.pevnost dřeva při 12% vlhkosti [MPa] α.opravný koeficient pro daný způsob zatížení w.vlhkost dřeva [%] Opravný koeficient α pro zatížení ve směru vláken je 0,04. Pro hlubší analýzu vlivu vlhkosti na mechanické vlastnosti dřeva se zaměříme na tlak a tah ve směru vláken. Na základě experimentálních výsledků bylo zjištěno, že vztah mezi napětím a deformací u tahu ve směru vláken při vlhkosti w = 0 % se významně neliší od podobného vztahu při vlhkosti na mezi hygroskopicity. Vlivem změny vlhkosti tedy u této vlastnosti nevznikají rozdíly mezi modulem pružnosti, mezí úměrnosti a pevnosti při různých vlhkostech. To znamená, že vazebné energie, které jsou namáhány ve struktuře dřeva při tahu ve směru vláken, nejsou významně zeslabeny vazbami vody ve dřevě. Uvědomíme-li si, že pevnost v tahu je určována především kovalentními vazbami v krystalické části celulózy, je toto zjištění pochopitelné. Při zatížení v tlaku ve směru vláken jsou naopak ve vztahu mezi napětím a deformací významné rozdíly při vlhkosti w = 0 % a na mezi hygroskopicity. Při vlhkosti 16

na mezi hygroskopicity je mez pevnosti 3,5krát a celková deformace téměř 7krát menší. Z toho vyplývá, že při tlaku jsou namáhány i ty vazby, které jsou zeslabeny navázáním molekul vody, t.j. vodíkové vazby mezi lignino-sacharidovým komplexem. Vliv vlhkosti na mechanické vlastnosti tedy závisí na zapojených vazebných energiích při konkrétním způsobu zatížení (http://wood.mendelu.cz). 3.2.3.2 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. Mezi moduly pružnosti a hustotou dřeva existuje kladná lineární závislost. Zvýšení hustoty dřeva o 0,1 g cm -3 způsobí zvětšení modulu pružnosti ve směru vláken o 2 5 %, napříč vláken o 1 9 %. Vliv hustoty se nejvíce projevuje u suchého dřeva, při vlhkosti nad mezí hygroskopicity je nevýrazný. 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, t.j. šířky letokruhu a podílu letního dřeva (http://wood.mendelu.cz). 3.2.3.3 Teplota 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 3krát více pentózanů než jehličnany, rázová houževnatost se u nich snižuje výrazněji. 17

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 (http://wood.mendelu.cz). 3.3 Dřevo tropického stromu Shorea laevis 3.3.1 Makroskopická stavba Dřevo s obchodním názvem Bangkirai je světlehnědé až tmavohnědé barvy, místy přecházející do červené. V okrajových částech kmene je znatelná běl, která má asi 3 5 cm. Na příčném řezu jsou pozorovatelné velké cévy. Na tangenciálním a radiálním řezu jsou znatelné dřeňové paprsky. Většina materiálu je poškozena požerky a výletovými otvory hmyzu. Patří do skupiny listnatých dřevin s roztroušeně pórovitou stavbou dřeva (Wagenführ 2000). Obr.6: Shorea laevis - radiální řez Obr.7: Shorea laevis - tangenciální řez 3.3.2 Mikroskopická stavba V každém mm 2 příčného řezu se nachází 3 6 makrocév (Obr.8), které mají průměr 130 180μm, dále jsou na příčném řezu znatelné úzké dlouhé skupiny parenchymatických buněk. Na tangenciálním řezu (Obr.8) jsou znatelné pryskyřičné kanálky a nepravidelné dřeňové paprsky, které jsou slabě heterogenní (Wagenführ 2000). Obr.8: Shorea laevis příčný mikroskopický řez dřevem (Wagenführ 2000) 18

3.3.3 Morfologické znaky stromu Obr.9: Shorea laevis - tangenciální mikroskopický řez dřevem (Wagenführ 2000) Strom dorůstá až do výšky 28 m a průměru 80 cm, kmen má válcovitý průřez a délku 15 20 m. Kůra je šedá asi 3 cm silná. Roste ve východní Asii a to převážně v Thajsku (Wagenführ 2000). Obr.10: Blízký příbuzný Shorea roxburghii (http://www.wikipedia.org). 3.3.4 Použití dřeva Pro svou odolnost vůči vnějším vlivům, tvrdost a odolnost vůči houbám, hmyzu a kyselinám se využívá k výrobě stavebních prvků venkovního užití, pro výrobu teras, zahradních altánů a dalších. Protože však dřevo obsahuje tanin a jiné chemické prvky, musí být omítky a dlažby chráněny vhodným odvodněním. Dále pak musí být zabráněno kontaktu s kovem, protože tak mohou vzniknout modré až černé skvrny. 19

4 Materiál a metodika V této části budou popsány zkušební tělíska a technologie jejich výroby. Dále postupy jednotlivých měření a zkoušek a technické vybavení k nim potřebné. 4.1 Zkušební tělíska Zkoumaná dřevina: Bangkirai (Shorea laevis L.) Oblast původu dřeviny: Východní Asie, pravděpodobně Thajsko Rozměry zkušebních tělísek: o Délka: o Šířka: o Tloušťka: 30 mm 19 mm 19 mm Vlhkost: 0 % Obr.11: Zkušební tělíska 4.1.1 Metodika výroby zkušebních tělísek Postup výroby: Materiál se dováží ve formě profilovaných prken o rozměrech 25 145 3000 mm. Po přivezení do dílny je rozřezán na zkracovací pile na hrubé délky 1m. Dále je na tloušťkovací frézce zbaven profilových povrchů, kde je zároveň získána tloušťka 20 ± 0,5 mm. Následuje podélné rozřezání na formátovací pile na hranolky o šířce 23 ± 0,5 mm (použitý je kotouč pro podélné řezání s SK plátky), dále je pak na jedné straně vytvořen pravý úhel na srovnávací frézce a výsledný hranolek je opět protažen a tak je 20

získána šířka 20 ± 0,5 mm. Takto máme vyrobené hranolky 20 20 1000 mm které na formátovací pile zakrátíme na 30 ± 0,5 mm. Při výrobě tělísek dbáme na to, aby byly dodrženy veškeré předpisy týkající se tělísek pro dané zkoušky. Protože je však materiál velmi profilovaný, podařilo se získat jen tělíska o rozměrech 19 19 30 mm (Obr.11). Strojní vybavení: o o o o formátovací pila SCM zkracovací pila tloušťkovací frézka Rojek srovnávací frézka Rojek 4.2 Materiál a metodika pro zjišťování hustoty dřeva 4.2.1 Materiál Zkušební tělíska sušená při teplotě 103 ± 2 C na vlhkost 0 % zhruba tři dny. 4.2.2 Metodika zjišťování hustoty dřeva Hustota byla zjišťována na 180 zkušebních tělíscích o rozměrech 20 20 30 mm při vlhkosti 0 %. U každého tělíska byly přeměřeny posuvným měřítkem rozměry s přesností na setiny milimetru a zapsány do tabulky. Dále byl u tohoto prvního měření vzorek očíslován a byla zakreslena úhlopříčka, ve které byla měřena délka vzorku. Z takto zjištěných jmenovitých rozměrů byl vypočítán objem podle vzorce: V a b c kde: V..objem zkoušeného tělíska [m 3 ] a tloušťka zkoušeného tělíska b šířka zkoušeného tělíska c délka zkoušeného tělíska [m] [m] [m] Po změření byla tělíska zvážena na digitální váze s přesností na tisíciny gramu. Hodnoty byly opět zapsány do tabulky. Ze získaných hodnot byla vypočtena hustota podle vzorce: 21

m 0 0 [kg m V -3 ] 0 kde: m.hmotnost dřeva [kg] V..objem zkoušeného tělíska [m 3 ] Použité vybavení: o Posuvné měřítko Mitutoyo (ABS) 150 o Digitální váha Scaltec SBC 41 o Konvenční sušárna 4.3 Materiál a metodika pro zjišťování velikosti bobtnání dřeva 4.3.1 Materiál Pro určení velikosti bobtnání byla použita ta samá tělíska, jako při měření hustoty. Tělíska byla po změření hustoty máčena 14dní v nádobě s vodou, aby dosáhla MH, kdy se bobtnání zastaví. Na konci této doby docházelo u 10 zkušebních tělísek k přeměřování rozměrů, aby se zjistilo, kdy přestali tělíska bobtnat a mohlo být provedeno následující měření. 4.3.2 Metodika zjišťování bobtnání dřeva Okamžitě po vytažení máčených tělísek z nádoby s vodou byly změřeny rozměry a hmotnost tělísek. Údaje byly zapsány do tabulek a použity pro výpočet bobtnání podle vzorce: i a iw2 a a iw1 iw1 100 a a iw iw1 100 a rozměr tělesa, jeho plocha nebo objem (m, m 2, m 3 ), i index udávající směr, plochu nebo objem, w 1 vlhkost před bobtnáním (%), w 2 vlhkost po ukončení bobtnání (%) 22

Použité vybavení: o Posuvné měřítko Mitutoyo (ABS) 150 o Digitální váha Scaltec SBC 41 4.4 Materiál a metodika pro zjišťování pevnosti v tlaku podél vláken 4.4.1 Materiál Opět jsou použita stejná tělíska. Po předchozí zkoušce však byla sušena a nakonec klimatizována v komoře na vlhkost 8 ± 2 %. 4.4.2 Metodika zjišťování pevnosti dřeva v tlaku podél vláken U tělísek opět měříme rozměry a hmotnost, které zadáváme do počítačového programu testxpert. V něm je nastaven patřičný program pro měření tlaku podél vláken. Po zadání hodnot vložíme tělísko do zkušebního stroje a necháme ho vystavit tlaku. Jakmile dojde ke zborcení tělíska, program stroj zastaví a dojde k vyhodnocení velikosti zatížení a deformací. Program zanese výsledky do tabulek a vynese graf průběhu napětí a deformací tzv. pracovní diagram. Takto provedeme měření u všech tělísek a výsledky vyhodnotíme. Obr.12: Tělísko při skončení měření na stroji Zwick 23

Program vypočítává pevnost dřeva ze zadaných údajů podle vzorce: max F max S kde: σ max.pevnost tělíska [MPa] F max maximální síla kterou bylo působeno na tělísko [N] S...plocha na kterou síla působí [mm 2 ] Použité vybavení: o Posuvné měřítko Mitutoyo (ABS) 150 o Digitální váha Scaltec SBC 41 o Univerzální zkušební stroj Zwick Z 050 o Počítačový program Test expert v5.01 5 Výsledky 5.1 Hustota dřeva Bangkirai při 0% vlhkosti Výsledky byly statisticky vyhodnoceny a zapsány do tabulky (Tab.3). Dále byly vytvořen graf pro zobrazení výsledků měření (Obr.13). Tab.3: Výsledné hodnoty hustoty dřeva Bangkirai při 0 % vlhkosti. Hustota dřeva [kg m -3 ] Průměrná hodnota 854,26 Chyba průměrné hodnoty 4,47 Medián 852,16 Minimum 710,470 Maximum 967,453 Rozpětí 256,982 Směrodatná odchylka 59,862 Špičatost -0,379 Šikmost -0,174 Variační koeficient 7,007 Počet platných měření 179 24

980 Rozsah hodnot hustoty 960 940 920 900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700 Bangkirai Medián = 852,161 25%-75% Rozsah neodleh. Obr.13: Rozsah hodnot hustoty při w = 0 % u měřených vzorků v kg m -3 5.2 Bobtnání dřeva Bangkirai 5.2.1 Radiální bobtnání Hodnoty byly vyhodnoceny a zapsány do tabulky (Tab.4). Z těchto hodnot byl následně vytvořen graf (Obr.14). Průměrná hodnota radiálního bobtnání je 5,33 %. Tab.4: Výsledné hodnoty radiálního bobtnání dřeva Bangkirai. Bobtnání [%] Průměrná hodnota 5,33 Chyba průměrné hodnoty 0,065 Medián 5,35 Minimum 3,07 Maximum 8 Rozpětí 4,93 Směrodatná odchylka 0,879 Špičatost 1,421 Šikmost 0,213 Variační koeficient 16,507 Počet platných měření 179 25

7,5 Rozsah hodnot bobtnání 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 radiální bobtnání Medián = 5,35 25%-75% Rozsah neodleh. Obr.14: Rozsah hodnot radiálního bobtnání v % 5.2.2 Tangenciální bobtnání Výsledky pro tangenciální bobtnání jsou zaneseny v tabulce (Tab.5). Z tabulky je vytvořen graf rozsahů hodnot (Obr.15). Průměrná hodnota tangenciálního bobtnání byla naměřena 9,54 %. Tab.5: Výsledné hodnoty tangenciálního bobtnání dřeva Bangkirai Bobtnání [%] Průměrná hodnota 9,54 Chyba průměrné hodnoty 0,066 Medián 9,55 Minimum 3,46 Maximum 12,00 Rozpětí 8,53 Směrodatná odchylka 0,890 Špičatost 11,116 Šikmost -1,486 Variační koeficient 9,326 Počet platných měření 179 26

12,0 Rozsah hodnot 11,5 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 tangenciální bobtnání Medián = 9,5584 25%-75% Rozsah neodleh. Obr.15: Rozsah hodnot tangenciálního bobtnání v % 5.2.3 Objemové bobtnání Výsledky celkového, objemového bobtnání jsou opět zaneseny v tabulce (Tab.6), ze které je vytvořen graf rozsahu hodnot (Obr.16). Průměrná hodnota zjištěná pro objemové bobtnání je 15,67 %. Tab.6: Výsledné hodnoty objemového bobtnání dřeva Bangkirai Bobtnání [%] Průměrná hodnota 15,67 Chyba průměrné hodnoty 0,123 Medián 15,42 Minimum 6,93 Maximum 20,48 Rozpětí 13,55 Směrodatná odchylka 1,644 Špičatost 4,718 Šikmost -0,079 Variační koeficient 10,491 Počet platných měření 179 27

20 Rozsah hodnot 19 18 17 16 15 14 13 12 11 objemové bobtnání Medián = 15,42 25%-75% Rozsah neodleh. Obr.16: Rozsah hodnot objemového bobtnání v % 5.2.4 Srovnání výsledků celkového bobtnání Průměrné hodnoty zjištěné pro celkové bobtnání byly: 5,33 % v radiálním směru, 9,54 % v tangenciálním směru a 15,67% při celkovém, objemovém bobtnání (Obr.17). Koeficienty bobtnání byly zjištěny: 0,18 pro radiální, 0,32 pro tangenciální a 0,52 pro celkové, objemové bobtnání. Závislost bobtnání na hustotě je na Obr.18. 20 Rozsahy hodnot bobtnání 18 16 14 12 10 8 6 4 2 radiální tangenciální objemové Medián 25%-75% Rozsah neodleh. Obr.17: Srovnání hodnot radiálního, tangenciálního a objemového bobtnání v % 28

22 Závislost bobtnání na hustotě 20 18 Bobtnání [%] 16 14 12 10 8 6 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 Hustota dřeva [kg.m -3 ] Obr.18: Závislost bobtnání na hustotě 5.3 Pevnost podél vláken dřeva Bangkirai Výsledky při zjišťování pevnosti dřeva v tlaku podél vláken jsou mez pevnosti a modul pružnosti. 5.3.1 Mez pevnosti Výsledné hodnoty byly zaneseny do tabulky (Tab.7), z které byl následně vypracován graf rozsahů hodnot (Obr.20) a graf závislosti pevnosti na hustotě dřeva (Obr.21). Pracovní diagram z programu testxpert je zobrazen na Obr.19. 29

Obr.19: Graf průběhu napětí a deformace Tab.7: Výsledné hodnoty pevnosti podél vláken dřeva Bangkirai σ max [MPa] Průměrná hodnota 77,2447222 Chyba průměrné hodnoty 0,519689185 Medián 76,625 Minimum 54,07 Maximum 95,95 Rozpětí 41,88 Směrodatná odchylka 6,97236207 Špičatost 1,43875489 Šikmost -0,18142832 Variační koeficient 9,02632811 Počet platných měření 180 30

95 Rozsah hodnot 90 85 80 MPa 75 70 65 60 Mez pevnosti Medián = 76,625 25%-75% Rozsah neodleh. Obr.20: Rozsah hodnot mezí pevnosti 100 Závislost pevnosti na hustotě 95 90 85 80 σ [MPa] 75 70 65 60 55 50 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 Hustota dřeva [kg.m -3 ] Obr.21: Závislost meze pevnosti na hustotě dřeva 31

5.3.2 Modul pružnosti Hodnoty byly opět statisticky vyhodnoceny a zaneseny do tabulky (Tab.8). Z hodnot byl vytvořen graf rozsahů (Obr.22) a graf závislosti modulu pružnosti na hustotě (Obr.23). Tab.8: Výsledné hodnoty modulu pružnosti dřeva Bangkirai E [MPa] Průměrná hodnota 15252,5467 Chyba průměrné hodnoty 849,789175 Medián 14720,79 Minimum -34359,69 Maximum 36910,82 Rozpětí 71270,51 Směrodatná odchylka 11401,1182 Špičatost 4,26509717 Šikmost -1,17548127 Variační koeficient 74,7489479 Počet platných měření 180 40000 Rozptil hodnot 30000 20000 MPa 10000 0-10000 -20000 Modul pružnosti Medián = 14720,79 25%-75% Rozsah neodleh. Obr.22: Rozsah hodnot modulu pružnosti 32

50000 Závislost modulu pružnosti na hustotě 45000 40000 35000 30000 E [MPa] 25000 20000 15000 10000 5000 0 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 Hustota dřeva [kg m -3 ] Obr.23: Závislost modulu pružnosti na hustotě dřeva 5.4 Shrnutí výsledků Tab.9: Výsledné hodnoty pro experimentálně zjišťované vlastnosti Průměrná Hustota při 0 % 854,26 kg m -3 Radiální bobtnání 5,33 % Tangenciální bobtnání 9,54 % Objemové bobtnání 15,67 % Mez pevnosti 77,24 MPa Modul pružnosti 15252,55 MPa Tab.10: Výsledné hodnoty pro zjišťované vlastnosti podle literatury (Wagenführ 2000). Průměrná Hustota při 0 % 800 900 kg m -3 Objemové bobtnání 8,1 14 % Mez pevnosti 68 MPa Modul pružnosti 12600 15400 MPa 33

6. Diskuze Rozpětí hodnot hustoty dřeva v absolutně suchém stavu 254 kg m -3 je vzhledem k výskytu bělového dřeva poněkud vyšší, avšak průměrná hodnota 854,26 kg m -3 a medián 852,16 kg m -3 odpovídají jiným zdrojům (Dahms 1981), které uvádí pro vlhkost při 12 % rozpětí 800 980 kg m -3, nebo 900 1100 kg m -3 pro vlhkost 0 % (Wagenführ 2000). Pro celkové objemové bobtnání byla zjištěna průměrná hodnota 15 % při variačním koeficientu 10,43 %, avšak literatura uvádí hodnoty 8,1 14 % (Wagenführ 2000). Tato odchylka by mohla být způsobena jinou anatomickou stavbou, chemickým složením, nebo jiným původem zkoumaných vzorků. Průměrný koeficient bobtnání v radiálním směru byl 0,18, v tangenciálním směru byla hodnota koeficientu 0,32 a u objemového bobtnání 0,52. Nejvíce podobné průměrné hodnoty vykazuje z našich dřevin dřevo jasanové a to 0,19, 0,31 a 0,52 pro radiální, tangenciální a objemové bobtnání (Horáček 2001). Obecně platí, že bobtnání s hustotou roste (Obr.18). A jelikož bobtnání je proces ukládání molekul vody do buněčné stěny a čím tlustší mají anatomické elementy buněčnou stěnu, tím větší je hustota, a tak je i větší plocha, kam se může voda na vodíkové můstky celulosy a hemicelulosy, případně na ligninu vázat, tak i bobtnání je větší. Další zjišťovaná vlastnost byla pevnost. U pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken závisí deformace na jakosti dřeva a anatomické stavbě dřeva. Důležitými činiteli jsou hustota a vlhkost dřeva. Dřevo s vyšší hustotou má větší odolnost vůči tlakovému působení ve směru vláken. Také vlhkost dřeva nepříznivě ovlivňuje pevnost v tlaku. Se stoupající vlhkostí až do meze hygroskopicity se pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken snižuje (Kollmann 1936). Také bělové dřevo má menší pevnost než jádrové a je to dáno hustotou, kterou má bělové dřevo nižší. Naměřená průměrná hodnota meze pevnosti podél vláken pro dřevo Bangkirai 77,24 MPa je o trochu vyšší než 68 MPa uváděných v literatuře (Wagenführ 2000). Odchylka je však malá a mohla být způsobena jinou anatomickou stavbou dřeva, či jiným chemickým složením. Tloušťka přírůstku dřeviny má také nemalý vliv, a tak mohl být rozdíl způsoben i jinými vegetačními podmínkami. Pro modul pružnosti podél vláken uvádí literatura (Wagenführ 2000) rozsah hodnot 12600 15400 MPa, v našem měření bylo dosaženo horní hranice, a to hodnoty 34

15252 MPa. Experimentálně zjištěná průměrná hodnota je tedy v rámci uvedeného rozpětí hodnot Ve shrnutí je možno říci, že dřevo Bangkirai nelze celkově srovnat s dřevinami naší oblasti. V některých vlastnostech najdeme podobné dřeviny, v bobtnání se velmi podobá dřevu jasanu, v pevnosti v tlaku podél vláken dřevu akátu, avšak v hustotě bychom mezi domácími druhy dřev hledali srovnatelného zástupce marně. Již při výrobě zkušebních tělísek se narazilo na problém, nalézt vhodný materiál pro jejich výrobu. Importovaná profilovaná prkna mají tloušťku 25 mm, přičemž profil zaujímá tloušťku zhruba 5 7 mm, z toho vyplývá, že normované vzorky 20 20 300 mm by bylo velmi složité, prakticky však nereálné vyrobit. Dalším vhodným materiálem by byly profilované hranolky o rozměru 75 45 mm, u kterých by však byl velký prořez, a tak i náklady s nákupem spojené. Z dalších mechanických vlastností by bylo vhodné zjistit pevnost v ohybu a tvrdost dřeva, protože tyto údaje jsou v literatuře většinou vynechávány. To by mohl být námět na pokračování a rozvedení této práce. Kdyby dále bylo možné získat celý kmen nebo části kmene, naskýtala by se možnost, porovnat variabilitu všech těchto vlastností v rámci poloměru a v rámci výšky v kmeni. 35

7. Závěr Cílem této bakalářské práce bylo experimentální zjištění vybraných fyzikálních a mechanických vlastností dřeva Shorea laevis, dováženého pod obchodním názvem Bangkirai. Z fyzikálních vlastností byla věnována pozornost hustotě a bobtnání dřeva, z mechanických vlastností pevnosti dřeva v tlaku podél vláken a Youngovu modulu pružnosti. Průměrné hodnoty vlastností dřeva Bangkirai zjištěné z literárních zdrojů (Tab.10) a z vlastního experimentu (Tab.9) jsou uvedeny v přehledných tabulkách. V poslední době se tato tropická dřevina stále více objevuje při výrobě zahradního nábytku a stavebních prvků zahradní architektury, avšak ověřené informace jsou uvedeny pouze v cizojazyčné literatuře. Proto jsem se v této práci zaměřil na shromáždění informací o této dřevině a na experimentálním ověření jejich vybraných vlastností. Zjištěno tedy bylo, že fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva závisí nejen na faktorech jako jsou vlhkost a hustota dřeva, ale také na anatomické struktuře dřeva, protože je dřevo anizotropním materiálem a jeho vlastnosti jsou odlišné v jednotlivých anatomických směrech (radiálním, tangenciálním, podélném). Naměřené a vyhodnocené hodnoty vybraných fyzikálních a mechanických vlastností dřeva Shorea laevis mohou v budoucnu poslouží pro studijní účely, popřípadě se z těchto hodnot může vycházet při dalších experimentech. 36

7. Conclusion The aim of these bachelor work was experimental inquest choice physical and mechanical features of wood Shorea laevis, imported below business title Bangkirai. From physical features was devoted attention to density and swelling of wood, from mechanical features strongholds wood in pressure along grains and Youngov s modul of flexibility. The Average values of features wood Bangkirai liquidated from literary sources (Tab.10) and from personal experiment (Tab.9) are introduced at well - arranged tables. In last time these tropical evergreen tree species are more and more detects near production garden furniture and building elements garden architecture, however certified information are mentioned only in foreign - language literature. Therefore I'm in these work direct on gathering information about these evergreen tree species and to experimental attestation their choice feature. Positive so wasthat the physical and mechanical properties of wood depends not only on factors like are dampness and wood density, but also on anatomical structure wood, because wood is anisotropical material and his characteristics are different at separate anatomical directions (radial, tangent, lengthwise). Measured and teamed with values choice physical and mechanical feature wood Shorea laevis may have in future will serve for educational purposes, eventually from these values is able to rise at more experiments. 37

8. Použitá literatura Literatura: DAHMS, K. Asiatische, ozeanische und australische Exporthölzer. Stuttgart: DRW, 1982. 304 s. ISBN 3-87181-305-2. HORÁČEK P., 2001, Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva I. Brno, MZLU, 128s, ISBN 80-7157-347-7. KOLLMAN, F. Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe 2, Berlin: Springer- Verlag, 1951, 1050 s. LEXA J. a kol., 1952, Mechanické a fyzikálné vlastnosti dreva, I. Svazek technologie dreva, Bratislava, 463s. MELOUN, M. MILITKÝ, J. Statistická analýza experimentálních dat. 2. vyd. Praha: Academia, 2004. 953 s. ISBN 80-200-1254-0. POŽGAJ, A. CHOVANEC, D. KURJATKO, S. BABIAK, M. Štruktúra a vlastnosti dreva. 1. vyd. Bratislava: Príroda, 1993. 485 s. ISBN 80-07-00600-1. ŠLEZINGEROVÁ J., GANDELOVÁ L., 2002, Stavba dřeva, Brno, MZLU, 187s, ISBN 80-7157-636-0. WAGENFÜHR R., 2000, holzatlas, 5. vydání, München, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 707s, ISBN 3-446-21390-2. WAGENFÜHR R., Anatomie des Holzes : Strukturanalytik - Identifizierung - Nomenklatur - Mikrotechnologie. 5. vyd. Leinfelden-Echterdingen: DRW Verlag, 1999. 188 s. ISBN 3-87181-351-6. Normy: ČSN 49 0103 Dřevo zjišťování vlhkosti při fyzikálních a mechanických zkouškách ČSN 49 0108 Dřevo zjišťování hustoty při fyzikálních a mechanických zkouškách Zdroje na internetu: <http://wood.mendelu.cz/cz/sections/props/?q=node/56> citováno 20. června 2008 <http://en.wikipedia.org/wiki/shorea> citováno 20. června 2008 38