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

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

BI03 Diagnostické metody ve stavebnictví

PRŮZKUM DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ Důvodem k provádění průzkumu dřevěných konstrukcí

může být havarijní stav objektu, objevení výskytu biologického napadení, úmysl změnit účel využití objektu,

nebo tento průzkum může mít jenom preventivní charakter.


ALE ZAČNĚME OD ZAČÁTKU ...


STAVBA DŘEVA Stavbu dřeva rozlišujeme dle měřítka zkoumání na:

- makroskopickou – vše, co lze pozorovat pouhým okem, případně pomocí zvětšovacího skla,

- mikroskopickou – úroveň buněk (nutný mikroskop), - submikroskopickou – odlišnosti v konkrétní stavbě buněčné stěny.


Makroskopická stavba neboli struktura dřeva je tvořena

souborem znaků, které vytvářejí na povrchu dřeva charakteristickou kresbu. Makroskopické znaky dřeva: - letokruhy - dřeňové paprsky - dřeňové skvrny - cévy - pryskyřičné kanálky - suky - povrchové a vzhledové vlastnosti



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


Základní anatomické směry ve dřevě jsou:

- axiální směr, který je rovnoběžný s podélnou osou kmene, - radiální směr, který je vedený

RS

ve směru dřeňových paprsků a je kolmý na plochu

tangenciálního řezu, - tangenciální směr, který má směr

tečny k letokruhům a je kolmý na plochu radiálního řezu.

AS

TS


FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI DŘEVA Voda ve dřevě

Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí hygroskopickým materiálem schopným přijímat nebo odevzdávat vodu, a

má schopnost měnit svoji vlhkost podle vlhkosti okolního prostředí.


FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI DŘEVA Voda ve dřevě Ve většině případů voda ve dřevě ovlivňuje i vlastnosti

dřeva a způsobuje často jejich zhoršení. Se změnou obsahu vody ve dřevě jsou spojeny změny fyzikálních a mechanických vlastností, odolnosti proti houbám a napadení hmyzem a další procesy.


Vlhkost dřeva Vyjadřuje se podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva

v absolutně suchém stavu. Vlhkost se nejčastěji vyjadřuje v procentech.



Hustota dřeva Hustota dřeva je charakterizována podílem hmotnosti a objemu dřeva při určité vlhkosti.

Hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí, ale hmotnost a objem dřeva nerostou stejným způsobem.


Hustota dřeva domácích dřevin: - Dřeva s nízkou hustotou ρ12 < 540 kg.m-3

borovice, smrk, jedle, topol, lípa, vrba, olše, ... - Dřeva se střední hustotou ρ12 = 540 - 750 kg.m-3 modřín, tis, bříza, buk, dub, ořešák, jilm, jasan, třešeň ... - Dřeva s vysokou hustotou ρ12 > 750 kg.m-3 habr, zimostráz, dřín, moruše, akát ...


MECHANICKÉ VLASTNOSTI DŘEVA Pevnost dřeva - v tlaku / v tahu S ohledem na směr působící síly k orientaci vláken a

letokruhům dřeva rozlišujeme: - pevnost v tlaku / v tahu ve směru vláken - pevnost v tlaku / v tahu napříč vláken - ve směru radiálním - ve směru tangenciálním



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


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


Pevnost dřeva v tahu za ohybu Je jednou z nejdůležitějších mechanických vlastností. Zpravidla se sleduje pevnost dřeva v ohybu napříč vláken

v tangenciálním směru (tangenciální ohyb).


Prostě podepřené zkušební těleso se zatěžuje ohybem symetricky dvěma břemeny při rozpětí rovnajícím se 18-ti násobku výšky. Potom platí: 𝑀 𝐹𝑚𝑎𝑥 · 𝐿 18 · 𝐹𝑚𝑎𝑥 𝑓𝑚 = = = 𝑊 𝑏 · ℎ2 𝑏·ℎ


Mechanické vlastnosti dřeva


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

dřeva snižují. Vliv teploty na mechanické vlastnosti se mění s vlhkostí. Zvyšováním teploty a vlhkosti se pevnost

výrazně snižuje, přičemž současné působení obou faktorů snižuje pevnost více, Než působení každého samostatně.


S rostoucí hustotou se pevnost dřeva zvyšuje.


TŘÍDĚNÍ DŘEVA DLE NOREM Dřevo se třídí třemi

různými způsoby: - vizuálně, - strojně, - dle tříd pevnosti


Vizuální třídění dřeva Dřevo se třídí jeho vizuálním posuzováním. Jakost dřeva se

přitom určuje prostřednictvím vizuálně poznatelných charakteristik dřeva, především suků a šířky letokruhů.


Pro vizuální třídění dřeva podle pevnosti v současnosti platí česká technická norma ČSN 73 2824-1. Významné vlivy určující pevnost, jako je například hustota dřeva, mohou být vizuálně vystiženy pouze nedostatečně, například

pomocí šířky letokruhů.



Strojní třídění dřeva Výše uvedené nevýhody vizuálního třídění dřeva podle pevnosti mohou být překonány strojním tříděním.

Většina v současné době průmyslově používaných strojů na třídění jsou takzvané ohybové stroje, kterými se určuje průměrný

modul pružnosti na krátkém rozpětí.


Třídy pevnosti dřeva V Evropské unii byl zaveden jednotný systém tříd pevnosti dřeva (ČSN EN 338) označených podle charakteristické

pevnosti v

ohybu. Pro

zatřídění

dřeva

do

těchto

pevnostních tříd byly vypracovány normy ČSN EN 384 a ČSN EN 408, které popisují průkazné zkoušky některých fyzikálně-mechanických vlastností.


JEHLIČNATÉ DŘEVINY

LISTNATÉ DŘEVINY

C14 C16 C18 C20 C22 C24 C27 C30 C35 C40 C45 C50

D18 D24 D30 D35 D40 D50 D60 D70

2

PEVNOSTNÍ VLASTNOSTI (v N/mm )

f m,k

14

16

18

20

22

24

27

30

35

40

45

50

f m,k

18

24

30

35

40

50

60

70

f t,0,k= 0,6 f m,k

8

10

11

12

13

14

16

18

21

24

27

30

f t,0,k= 0,6 f m,k

11

14

18

21

24

30

36

42

f t,90,k = 0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

f t,90,k = 0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

0,6

Tlak rovnoběžně s vlákny

f c,0,k = 5 (f m,k)0,45

16

17

18

19

20

21

22

23

25

26

28

29

f c,0,k = 5 (f m,k)0,45

18

21

23

25

26

29

32

34

Tlak kolmo k vláknům

f c,90,k = 0,007 r k

2,0

2,2

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,1

3,2

f c,90,k = 0,015 r k

7,5

7,8

8,0

8,1

8,3

9,3 10,5 13,5

f v,k

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

f v,k

3,4

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

4,5

5,0

E 0,mean

7

8

9

9,5

10

11

11,5

12

13

14

15

16

E 0,mean

9,5

10

11

12

13

14

17

20

E 0,05 = 0,67 E 0,mean

4,7

5,4

6,0

6,4

6,7

7,4

7,7

8,0

8,7

9,4 10,1 10,7

E 0,05 = 0,84 E 0,mean

8,0

8,4

9,2 10,1 10,9 11,8 14,3 16,8

Ohyb Tah rovnoběžně s vlákny Tah kolmo k vláknům

Smyk 2

TUHOSTNÍ VLASTNOSTI (v kN/mm ) Průměrná hodnota modulu pružnosti rovnoběžně s vlákny 5% kvantil modulu pružnosti rovnoběžně s vlákny Průměrná hodnota modulu pružnosti kolmo k vláknům

E 90,mean = E 0,mean / 30 0,23 0,27 0,30 0,32 0,33 0,37 0,38 0,40 0,43 0,47 0,50 0,53 E 90,mean = E 0,mean / 15 0,63 0,67 0,73 0,80 0,87 0,93 1,13 1,33

Průměrná hodnota modulu pružnosti ve smyku

G

mean

= E 0,mean / 16 0,44 0,50 0,56 0,59 0,63 0,69 0,72 0,75 0,81 0,88 0,94 1,00 G

mean

= E 0,mean / 16 0,59 0,63 0,69 0,75 0,81 0,88 1,06 1,25

3

HUSTOTA (v kg/m ) Hustota Průměrná hodnota hustoty

rk

290

310 320 330 340

350 370

380 400 420

440 460

rk

500

520

530 540 550

620 700

r mean = 1,2 r k

350

370 380 400 410

420 440

460 480 500

530 550

r mean = 1,2 r k

600

620

640 650 660

740 840 1080

POZNÁMKA: Tabelované hodnoty odpovídají dřevu s vlhkostí při teplotě 20°C a relativní vlhkosti 65%.

900


TRVANLIVOST DŘEVA Buňky dřeva se skládají z organických polymerů, které jsou náchylné na poškození abiotickými vlivy (oheň, slunce,

voda, kyslík, emise apod.) a biologickými škůdci (bakterie, houby, hmyz, ptáci, savci apod.). Trvanlivost dřeva ovlivňuje mnoho faktorů, a to např. o jaký druh dřeva se jedná, ke je uchováváno a skladováno, k jakému účelu bylo použito, atd.


Dřevokazné houby (hniloba) Hniloba je závažnou vadou, jejímiž původci jsou houby. Houby napadají

a poškozují velmi často už živý strom a

tento

proces

pokračuje

ve

znehodnocování hotového výrobku. Hniloba se navíc projevuje až ve stadiu, kdy již nebývá možné dřevo zachránit.


Nejlepší a nejjednodušší ochranou pro dřevo je vysušení.

Hniloba dřevo nenapadne v případě, nepřekročí-li vlhkost dřeva 20%. Nejrozšířenější dřevokazné houby - Dřevomorka domácí - Koniofora sklepní

- Trámovka plotní - Pornatka Vaillantova


Dřevokazný hmyz Dřevu také škodí dřevokazný hmyz, který v něm vyžírá chodbičky.

Podobně jako houby poškozuje hmyz dřevo v živém stromě i dřevo zpracované.


Dřevokazný hmyz má podstatně nižší nároky na vlhkost

dřeva než dřevokazné houby. Pro napadení dřevokazným hmyzem postačuje vlhkost dřeva 10 – 12 %. Dřevokazný hmyz - Kůrovci - Pilořitky

- Hrbohlavci - Červotoči

- Tesaříci - krovový, fialový, obrovský, skladištní, smrkový


NEDESTRUKTIVNÍ DIAGNOSTICKÉ METODY PRO HODNOCENÍ DŘEVA Základem diagnostiky dřeva zabudovaného ve stavbách je vizuální průzkum. Umožňuje odhalit viditelné poškození

dřeva. Problém nastává ve chvíli, kdy je třeba přesně definovat celkové poškození jednotlivých prvků konstrukce, tzn. identifikovat rozsah vnitřního poškození, lokalizovat přechod mezi zdravou a poškozenou částí, a určit

mechanické a fyzikální vlastnosti.


Zjištění vlhkosti Jelikož má vlhkost dřeva vliv na fyzikální i mechanické

vlastnosti prvku, je tedy třeba ji vždy určit, zvláště při průzkumu konstrukcí in-situ.

Zvýšený obsah vody může ovlivňovat výsledky průzkumu a zároveň může být dobrým vodítkem např. při identifikaci míst průsaku vody.


Při

diagnostice

zabudovaných

prvků

se

používají

především příruční vlhkoměry, kalibrované na zjišťování

vlhkosti s ohledem na druh a teplotu dřeva.


Vizuální hodnocení Vizuálním hodnocením získáme informace nejen o vlastnostech a stavu materiálu, ale i o technologických postupech, dodatečných zásazích do konstrukce a také o přibližném stáří dřevěných konstrukcí.

Touto metodou lze i určit druh použitého dřeva, charakteristické

znaky prvku, vady dřeva, a odhadnout povrchové biotické a abiotické poškození prvku.


Největší úskalí vizuálního hodnocení

vyplývá jednoznačně ze stanovení hodnotících kritérií a subjektivního hodnocení

diagnostika.

Vizuální

hodnocení je proto vhodné zejména pro identifikaci kritických míst, která

je

třeba

následně

detailně

vyhodnotit

pomocí

jiných

nedestruktivních metod.

diagnostických


Měření šíření ultrazvukových vln Měření rychlosti šíření ultrazvukových vln je jedna z

nejpoužívanějších metod vyšetřování stavu konstrukcí. Měří se nejčastěji pomocí dvou sond, jedna z nich je budič

ultrazvukového signálu, druhá snímač. Rychlost šíření vlny je závislá nejen na druhu dřeva, jeho vlastnostech, hustotě, atd., ale hlavně na jednotlivých anomáliích v růstu jako jsou např. suky, praskliny

a různá námi hledaná poškození.


Rychlost šíření vln klesá se vzrůstající vlhkostí dřeva.

V místě trhliny je doba průchodu vlny delší než ve zdravém dřevě. Stejně tak se šíří rychleji v místech zdravého dřeva a má tendenci se po těchto zónách „svézt“ kolem defektů, čímž se opět zvýší doba průchodu vlny. Při diagnostice větších prvků dochází k útlumu signálu, což lze

eliminovat použitím nižších frekvencí. Ty jsou ale méně citlivé na menší vnitřní

vady prvku.


Při měření rychlosti šíření vln podél vláken získáme odhad vlastností celého prvku. Při průzkumech konstrukcí in-situ

je ale většinou nemožné provést měření tímto způsobem. Při měření rychlosti prostupu napříč vlákny přikládáme sondy z obou protilehlých stran prvku, což je přesnější způsob měření, vyžaduje však přístup na obě protilehlé strany prvku.

Pro diagnostiku celého prvku potřebujeme měření na více místech, tímto způsobem lze odhalit lokální poruchy.


Radiační diagnostické metody Do této skupiny se řadí radiometrie a radiografie, jejich výhodou je fakt, že jde o zcela nedestruktivní metody, což

je cenné zejména při provádění diagnostiky historických dřevěných konstrukcí. Nevýhodou je nutnost zvláštních bezpečnostních opatření, vyplývající právě z práce s ionizujícím zářením.


Radiogram masivního jedlo-

vého trámu v konstrukci krovů historického objektu.

Dobře je patrna struktura dřeva, suky, trhliny ve středu rozvinutá středová hniloba, z povrchu trámu neviditelná.


Odporové diagnostické metody Řada nedestruktivních metod hodnocení zabudovaného dřeva ve stavbách je založena na nepřímém zjišťování

hustoty, která úzce souvisí s mechanickými vlastnostmi. Pro zjišťování hustoty se jako nejvhodnější způsob osvědčily odporové metody, které dobře reagují na změny ve struktuře materiálu na rozdíl od metod zcela neinvazivních (např. ultrazvukové metody).


Odporové zarážení trnu Nejčastěji používaný přístroj Pilodyn je jednoduché

mechanické zařízení umožňující měřit hloubku průniku trnu. Při dynamickém nárazu kalibrovaného výstřelu, který

zajišťuje penetraci trnu do povrchu materiálu, je registrována hloubka průniku trnu. Maximální hloubka zaražení trnu je 40 mm. Poškození testovaného materiálu je téměř zanedbatelné.


Testování v radiálním směru se jeví jako průkaznější z

důvodu pravidelného střídání jarního a letního dřeva v rámci letokruhu. Při odklonu od radiálního směru menším než 30°, je variabilita měření do 10%. V případě použití tangenciálního směru měření Pilodynem dochází často k zaražení trnu jenom do jedné části letokruhu, čímž se

výsledky značně zkreslují.


Pro zjišťování hustoty konstrukčního dřeva na základě

měření vlhkosti a hloubky vniku rázového trnu do dřeva lze použít tento vztah doc. Kuklíka: ρ12 = 0,727987 – 0,027102 · tp · [1 – 0,007 · (w - 12)] Kde: ρ12 – hustota dřeva při vlhkosti 12% [kg.m-3],

tp – hloubka zaražení trnu do dřeva o známé vlhkosti [mm],

w – vlhkost dřeva v době měření [%].


Z hustoty potom můžeme pomocí odvozených regresních

vztahů zjistit pevnost v ohybu či modul pružnosti:


Odporové mikrovrtání Odporové mikrovrtání se liší od odporového zarážení trnu

zejména tím, že díky pozvolnému pronikání materiálem nabízí přehled o jeho vnitřní struktuře.


Výstupem z měření je grafický záznam. Vrcholy v grafickém

záznamu odpovídají vyšším odporům a tedy i vyšší hustotě, zatímco nižší body jsou spojené s nižším odporem a nižší hustotou. Hodnocení stavu příčného průřezu je velmi vhodné pro lokalizaci a identifikaci rozsahu

1600

vnitřního poškození,

1400

ale vyžaduje

1000

mnohonásobné, časově náročné vrtání.

1200 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

250

300


Odporové zatlačování trnu Na podobném principu, jako předchozí dvě metody

funguje další řada přístrojů, například nově vyvinut přístroj pro stanovení mechanického odporu k pozvolnému

vnikání tělesa a to do hloubky odpovídající rozměrům běžných dřevěných konstrukčních prvků, využitelný pro následné nepřímé stanovení hustoty a mechanických vlastností dřeva.


Radiální mikrovývrty Princip metody je založen na

odběru vzorků válcovitého tvaru, na kterých je ve speciálním

zatěžovacím zařízení zjišťována pevnost a modul pružnosti v tlaku podél vláken. Radiální vývrty mají průměr 4,8 mm. Délka vývrtů by měla být

minimálně 20 mm.


Radiální vývrty mohou být použity pro zjištění několika

dalších vlastností dřeva, jako jsou např.: hustota, vlhkost. Lze

je

využít

i

pro

identifikaci

druhu

dřeva,

dendrochronologické datování, mikroskopickou analýzu hniloby, vizuální hodnocení a zároveň i penetraci ochranných látek.


Tahové mikrovzorky Vzorky pro určení tahové pevnosti se odebírají pomocí

okružní pilky. Odběr se provádí dvěma řezy orientovanými pod úhlem 45° vzhledem k povrchu prvku. Hloubka řezu je

upravená tak aby vznikla trojúhelníková lišta s pravoúhlými stěnami v rozmezí 5-8 mm.


Odebrané vzorky nesmí obsahovat žádné přirozené vady

(suky, trhliny...). Na oba konce vzorků se nalepí dřevěné bloky pravoúhlého tvaru, které slouží pro uchycení mikrovzorku v zatěžovacím stroji. Při zkoušce je zjišťována tahová pevnost a modul pružnosti. Výsledky dosažené

touto zkouškou není třeba korelovat a mohou být

prohlášeny za srovnatelné se standardními.


Endoskopie Pomocí endoskopu lze vizuálně posuzovat biotické

poškození dřeva, dále je možné odhadovat vývojové stádium hub, změny barvy, zborcení, povrchový nebo

kostkovitý rozklad a mechanické poškození. Dřevokazný hmyz může být identifikován pomocí charakteristického požerku a trusu.


DESTRUKTIVNÍ DIAGNOSTICKÉ METODY Odběr vzorků pro laboratorní zkoušky Výsledky nedestruktivního zkoušení vlastností

dřeva

jsou

vždy

jen

orientační, pro jejich zpřesnění by

měly být provedeny průkazné zkoušky. Průkazné zkoušky slouží k přímému stanovení

některých

mechanických vlastností.

fyzikálně-


Referenční příčné rozměry zkušebních těles při stanovení

mechanických vlastností konstrukčního dřeva musí být 150 mm. Alternativně lze stanovovat mechanické vlastnosti na malých

bezvadných

konstrukčních rozměrů.

tělesech,

nebo

na

tělesech


DENDROCHRONOLOGIE Dendrochronologie

je

metoda

datování dřeva založená na měření

šířek letokruhů. Umožňuje datovat dřeva z archeologických výzkumů, dřevěné prvky historických staveb především

krovy,

stejně

jako

nábytek, dřevěné sochy nebo staré

obrazy.


Vzorek dřeva je změřen na speciálním měřicím stole,

odkud je informace přenášena do počítače. Zde se pak zobrazí ve formě křivky, která je pomocí datovacího programu porovnávána se standardní křivkou pro danou dřevinu.


Dendrochronologicky lze zjistit přesný rok, ve kterém se

jednotlivé letokruhy na vzorku vytvořily.


PRŮZKUM DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ Důvodem k provádění průzkumu dřevěných konstrukcí

může být havarijní stav objektu, objevení výskytu biologického napadení, úmysl změnit účel využití objektu,

nebo tento průzkum může mít jenom preventivní charakter.


Souhrnné zhodnocení průzkumu:

- Definování rozsahu poškození - Definování stupně poškození - Definování aktuálnosti poškození - Určení biotických škůdců dřeva -

Stanovení příčin poškození

BI03 Diagnostické metody ve stavebnictví Obr. Zakreslení poškozených míst – krov nad presbytářem – příčná vazba č.9. Tab. Výsledky průzkumu – krov nad presbytářem – příčná vazba č.9. Návrh sanace

(mm)

(mm)

(mm)

Stupeň poškození

Číslo vazby

Poškození

Rozměry

Kons t. sana ce výmě ra (m3)

Vazný trám

210

240

9000

Č-T

2

N

0,000

Sloupek

180

4000

Č

2

N

0,000

7500

Č

2

N

0,000

Prvek

šířka

výška délka

170

270 340 120

Pásek

150

210

2000

Č-H

2

N

0,000

Rozpěra Hambalek spodní Vazný trám Sloupek

160

260

4000

Č

1-2

N

0,000

160

150

4500

H

3

C

0,108

210

240

9000

H

4

P-3

0,151

180

300

4000

H

4

C

0,216

Krokev

180

140

7500

H

4

C

0,189

120

120

4000

H

4

C

0,058

Pásek

140

210

2000

Č-H

2

N

0,000

Rozpěra Hambalek spodní

160

260

4000

Č

1-2

N

0,000

160

150

4500

H

3

C

0,108

Krokev

9

Část krovu

Námětek

S

J


Jaký typ opravy zvolit závisí nejen na statickém výpočtu, ale i na technickém stavu trámů. Pokud se vyskytne

konstrukce

napadená

biologickými

škůdci

(plíseň,

dřevokazné houby), trám se musí odříznout zhruba 1 m od nakaženého místa. Nakažená část je potřeba vhodně odstranit spálením nebo odvezením na skládku.



Původní i doplňované části krovu musí být ošetřeny prostředky proti biotickým škůdcům. Konkrétní přípravek

doporučí

odborník

na

základě

provedeného

mykologického průzkumu. Správně opravený a ošetřený krov vydrží při vhodné péči další stovky let. Přitom je zachována jeho historická hodnota.

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

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

Recommend Documents